Антенна радиоприемника выполняет функцию: Какую функцию выполняет антенна радиоприемника? Выберите один ответ: A. Принимает все — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

8 км.

Проводники сопротивлением 3 Ом и 4 Ом соединены параллельно. Если через сопротивление 3 Ом протекает ток 0,2 А, то через сопротивление 4 Ом протекает … ток… (в а)

При повышении температуры диффузия происходит быстрее, потому что A. Увеличивается скорость движения молекул B. Уменьшаются промежутки между молекулам … и C. Уменьшается скорость движения молекул D. Изменяются размеры молекул 2. При превращении 3 кг воды при 200С в лед при 00С, выделяется количество теплоты (с=4200Дж/кг*С; λ=3,4*105Дж/кг) A. 1270кДж B. 127 кДж C. 1,27МДж D. 12,7кДж 3. Если при снятии нагрузки кристалл после деформации возвращается в исходное состояние, то такая деформация называется… A. возвращаемой B. упругой C. недеформируемой D. кристаллической 4. Индуктивность катушки колебательного контура увеличивалась в 4 раза. При этом период колебаний A. Увеличится в 4 раза. B. Уменьшится в 2 раза C. Не изменится D. Увеличится в 2 раза. 5. Спектральным анализом называется: A. способ возбуждения атома B.

метод определения химического состава вещества по его спектру C. метод диагностики процентного состава вещества D. метод определения вида спектра 6. Напряженность поля точечного заряда равна: A. E=kq/r2 B. E=k/r2 C. E=q+r D. E=kr/q2 7. Стадия звезды, при которой ядро все более сжимается, а внешние оболочки все более расширяются, называется: A. звездой главной последовательности B. красным гигантом C. протозвездой D. белым карликом 8. Если пустить пучок света через несколько близко расположенных щелей, то: A. свет не пройдет сквозь них B. свет пройдет только через одну щель C. свет пройдет сквозь все щели, потоки не будут влиять друг на друга D. свет пройдет сквозь все щели, потоки будут интерферировать 9. Для сложных цепей, состоящих из многих узлов и соединений, при вычислении токов и напряжений необходимо использовать законы: A. Джоуля-Ленца B. Архимеда C. Кирхгофа D. сложения векторов 10. Линии магнитной индукции направлены: A. в сторону северного магнитного полюса B. в сторону южного магнитного полюса C.

вертикально вверх D. вертикально вниз 11. Почему сердечника трансформатора набирают из отдельных пластин: A. чтобы уменьшить вибрацию и громкость звука B. уменьшить потери энергии на нагрев C. уменьшить электромагнитное излучение D. увеличит силу тока 12. Какой материал можно отнести к полупроводникам: A. германий B. железо C. чистая вода D. сера 13. Согласно одному из постулатов Нильса Бора A. Электроны могут двигаться по любым орбитам B. Электроны не движутся по орбитам C. Электроны движутся только по стационарным орбитам D. Протоны и электроны 14. В каких единицах измеряется вектор магнитной индукции? A. Н B. А C. Тл D. Ф 15. Если температура нагревателя тепловой машины 727оС, холодильника 27оС, то максимальное значение КПД A. 96% B. 70% C. 30% D. 25%

сделать первое задание по литию № 19

Ізольована металева пластина освітлюється світлом з довжиною хвилі 450 нм. До якого потенціалу зарядиться пластинка при тривалому освітленні, якщо роб … ота виходу електронів дорівнює 2 еВ?

Два одинаковых маленьких металлических шарика заряжены положительными зарядами 2q и 4q. Шарики привели в соприкосновение и развели их. Каким стал заря … д каждого шарика? А. q. Б. 2q. В. 3q. Г. 6q.

БУДЬ ЛАСКА (20 балів) Знайти як зміниться зображення предмета, який вміщено перед збиральною лінзою на відстані 7,5 см, якщо відомо, що фокусна відста … нь лінзи 0,2 м

Задача на силу Ампера. Сила тока в проводнике 2А, длина активной части проводника 0,3м, магнитное поле, действует на проводник с силой 0,2Н. Определит … е индукцию магнитного поля, если линия индукции поля и ток взаимно перпендикулярны.

Вычислить силу тока на втором резисторе, если: R1=5 Ом, R2=3 Ом, R3=9Ом, R4=12 Ом, U3= 200В. Ответ:

Какое количество теплоты потребуется для того, чтобы нагреть воду массой 15 кг от 10 до 90 градусов Цельсия? Ответ выразите в кДж а)7400, б)4800, с)17 … 5 д)5040, е)501

Содержание

Какую функцию выполняет антенна радиоприемника? 1. выделяет из электромагнитной волны

Найдите линейную скорость Земли при её орбитальном движений. 8 км.

сделать первое задание по литию № 19

Вычислить силу тока на втором резисторе, если: R1=5 Ом, R2=3 Ом, R3=9Ом, R4=12 Ом, U3= 200В. Ответ:

2. Основные функции радиоприемников

В приемной антенне электромагнитными полями наводится ЭДС.

ЭДС имеет достаточно сложную форму – кроме составляющей от полезного сигнала содержит еще целый ряд составляющих, обусловленных другими сигналами и возможными помехами. Это определяет первую функцию радиоприемника – выделение (селекцию) полезного сигнала из суммы ЭДС, наводимых в антенне. Во всех приемниках осуществляется частотная селекция сигналов за счет частотно-избирательных систем, которые можно настраивать на несущую частоту полезного сигнала.

На вход радиоприемника обычно поступает высокочастотный сигнал, модулированный по тому или иному параметру. Для приведения в действие оконечного аппарата, как правило, необходимо сравнительно низкочастотное напряжение, закон изменения которого должен как можно точнее соответствовать закону модуляции принимаемого сигнала. Отсюда вытекает вторая функция радиоприемника – преобразование высокочастотного модулированного сигнала в низкочастотный, называемая детектированием.

Обычно мощность ЭДС сигнала, наводимого в антенне, бывает очень мала и недостаточна для нормальной работы оконечного аппарата. Поэтому третьей функцией радиоприемника является усиление принятого сигнала. Помимо этих трех основных функций, на радиоприемник могут быть возложены и дополнительные задачи.

3.Приемник прямого усиления

Его блок-схема приведена на рис.2:

Рис. 2.

Для предварительной частотной селекции сигнала на входе первого каскада приемника имеется специальный элемент – входная цепь (ВЦ). Она обычно состоит из одного или нескольких связанных колебательных контуров и выполняется так, чтобы обеспечить нормальную работу приемника с любой из возможных в эксплуатации антенн.

Усилитель высокой частоты (УВЧ) предназначается для усиления принимаемого сигнала до уровня, необходимого для качественной работы детектора (Д). Вторая задача УВЧ – дополнительная частотная селекция сигнала.

Усилитель низкой частоты (УНЧ) усиливает выходной сигнал детектора до величины, необходимой для нормальной работы оконечного аппарата.

Элементы радиоприемника, расположенные перед детектором, называют высокочастотным трактом или высокочастотной частью приемника. Аналогично, элементы приемника, следующие за детектором, образуют его низкочастотный тракт или низкочастотную часть.

Коэффициент усиления УВЧ нельзя увеличивать выше определенного предела, за которым наступает самовозбуждение усилителя за счет паразитной обратной связи через емкость монтажа. Аналогично и для УНЧ. Это ограничивает общий коэффициент усиления приемника и, соответственно, его чувствительность (минимальная амплитуда воспринимаемого сигнала ЭДС). Существенно лучшие параметры имеет приемник супергетеродинного типа.

4.Приемник супергетеродинного типа

Блок-схема приемника супергетеродинного типа приведена на рис. 3.

Рис. 3.

Кроме уже встречавшихся аналогичных блоков он содержит: Г — гетеродин; СМ — смеситель; УПЧ — усилитель промежуточной частоты.

Смеситель представляет собой элемент с нелинейной амплитудной характеристикой (зависимостью выходного сигнала от входного). Если на его вход одновременно поступают два сигнала с частотами соответственно и, то в спектре выходного сигнала будут присутствовать составляющие с частотами,,, а также ряд других составляющих комбинированных частот. Естественно, если, то в качестве разностной будет присутствовать составляющая с частотой. Важно отметить, что если сигнал с одной из частотилипромодулирован по определенному закону (например, по амплитуде) каким-то низкочастотным сигналом, то полученная на выходе смесителя составляющая с частотой(или) сохранит этот же закон модуляции.

Гетеродин представляет собой перестраиваемый ВЧ генератор синусоидального сигнала с частотой . При настройке входных цепей на некоторую частоту сигналасинхронно с ним перестраивается и гетеродин – таким образом, чтобы разность частотибыла постоянной во всем диапазоне принимаемых приемником сигналов. Сигнал от гетеродина и усиленный в УВЧ входной сигнал поступают на вход смесителя. Полученная на выходе смесителя составляющая с разностной частотой(сигнал промежуточной частоты) выделяется с помощью системы связанных контуров и поступает на УПЧ. Тем самым мы получаем дополнительное (по сравнению со схемой приемника прямого усиления) усиление полезного сигнала. Паразитные обратные связи между каскадами УВЧ и УПЧ не приводят к самовозбуждению схемы, т.к. УНЧ и УПЧ работают на разных частотах (УПЧ выполняется в виде резонансного усилителя, настроенного на).

Однако схема приемника супергетеродинного типа (рис. 3) имеет принципиальный недостаток по сравнению со схемой приемника прямого усиления – наличие дополнительных каналов приема. Если на вход приемника наряду с полезным сигналом попадет сигнал с частотой , то он будет усиливаться в УПЧ, что создает помехи приему. Чтобы избежать этого, во входных цепях приемника ставят заградительные фильтры, которые не пропускают именно сигналы с частотой. Бытовые приемники, как правило, имеют промежуточную частоту.

Другим дополнительным каналом приема является так называемый зеркальный канал.

Зеркальный канал. Пусть приемник настроен на частоту и частота гетеродина. На выходе смесителя появится составляющая с частотой. Если при этом на вход приемника поступает сигнал с частотой, то на выходе смесителя одновременно с полезной составляющей выделится составляющая также с разностной частотой:

который в дальнейшем усиливается УПЧ и создает помехи приему – в оконечный аппарат поступают одновременно два сигнала. Аналогично, если , то частота зеркального канала;.

Зеркальным этот канал приема называется потому, что на оси частот частоты ирасположены симметрично относительнона расстоянииот нее. Для того чтобы исключить возможность приема по зеркальному каналу, необходимо не допустить проникновения соответствующих помех на вход смесителя. Эту задачу в супергетеродинном приемнике (супергетеродин) выполняют резонансные системы входной цепи и УВЧ.

Рассмотрим основные характеристики радиоприемников:

1. Чувствительность. Под чувствительностью понимают минимальную величину напряжения входного сигнала, обеспечивающую на выходе определенную мощность выходного сигнала при заданном превышении выходного сигнала над шумами. Для радиовещательных приемников превышение сигнала над шумами должно быть равным 10, а на выходе мощность сигнала устанавливается равной 50 мВт, при сопротивлении нагрузки .

2. Избирательность – это способность приемника выделять полезный сигнал из совокупности колебаний с различными несущими частотами. Поскольку у супергетеродина наряду с основными каналами, существуют и дополнительные каналы приема, для него вводится несколько характеристик:

а) избирательность по соседнему каналу. Согласно принятым международным соглашениям частоты радиостанций в диапазонах ДВ и СВ отличаются на . Поэтому избирательность по соседнему каналу (в децибеллах)

, (1)

где – чувствительность приемника, настроенного на частоту сигнала,– напряжение с частотой, которое также обеспечивает на выходе заданную мощность сигнала (настройка приемника при этом не меняется).

б) избирательность по промежуточной частоте

, (2)

Поскольку в диапазон принимаемых частот приемника частота не входит, то здесь– чувствительность приемника, настроенного на частоту сигнала, наиболее близкую к;– напряжение сигнала с частотой, которое обеспечивает при прежней настройке приемника заданную мощность на выходе.

в) избирательность по зеркальному каналу

, (3)

где – чувствительность приемника, настроенного на частоту,– напряжение с «зеркальной частотой» (относительно), которое обеспечивает на нагрузке заданную мощность при настройке на.

3. Диапазоны рабочих частот – это интервалы частот входных сигналов, в которых обеспечивается нормальный прием. Современные приемники бывают как с переменной настройкой в широком диапазоне рабочих частот, так и с фиксированной частотой на какую-либо частоту или ряд частот.

4. Динамический диапазон радиоприемника (в децибеллах)

, (4)

где – чувствительность приемника (– мощность этого сигнала),() – максимальная величина (мощность) входного сигнала, прием которого происходит еще с допустимыми искажениями.

5. Качество воспроизведения сигнала – определяется степенью искажений, вносимых элементами приемника.

6. Выходная мощность приемника (максимальная).

7. Потребляемая от источников питания мощность.

Выполнение работы

ВНИМАНИЕ! Слева от переключателя диапазонов приёмника имеется рычаг фиксатора. Переключать диапазоны можно только при верхнем положении переключателя. Установив нужный диапазон, рычаг фиксатора перевести в нижнее положение.

Рис. 4. Схема установки:1 – генератор АМ-сигналов, 2 – эквивалент антенны, 3 – приемник «Казахстан» со встроенной нагрузкой , 4 – вольтметр.

Перед включением в сеть установить органы управления в следующие положения: на приёмнике: регулятор громкости – в среднее положение, переключатель регулятора полосы – в крайнее левое положение (узкая полоса), тумблеры «АНОД» и «АПЧ УКВ» – в положение «ВЫКЛ»; на генераторе: тумблеры – в положение «ГВЧ» и «УРОВЕНЬ К», переключатель частоты модуляции – в положение «», красную стрелку на регуляторе выхода (с помощью ручки «») – на отметку «К».

Включить генератор и приёмник в сеть. После 5 минут самопрогрева с помощью ручки «►0◄» установить стрелку индикатора на нулевую отметку. Включить тумблер «ГВЧ» (перевести его в верхнее положение). Вращая регулятор «Установка уровня К», выставить стрелку индикатора на отметку «К». Перевести тумблер в положение «М%». Регулятором «УСТ. М%» установить глубину модуляции 50 %. Соединить выходное гнездо генератора «» через эквивалент антенны со входом приёмника. Эквивалент антенны необходимо использовать по следующим причинам:

1. Без эквивалента антенны система связанных контуров входных цепей приемника будет зашунтирована низким выходным сопротивлением генератора.

2. Выходное сопротивление генератора реактивно, поэтому оно будет изменять настройку приемника.

3. Не вся ЭДС, наводимая в антенне, поступает на вход приемника, т.к. антенна имеет распределенные параметры. Это и учитывается при расчете эквивалента антенны.

С выхода приёмника «» (на задней панели) подать сигнал на вход вольтметра В3-38. Включить в гнёзда на передней панели приёмника телефон. Включить тумблер «АНОД» на приёмника.

Определить чувствительность приёмника в трёх точках каждого диапазона (на краях и в середине). При появлении на выходе приёмника сигнала (частотой ) установить регулятор громкости приёмника в положение, соответствующее амплитуде выходного сигнала в 75% от максимальной и в дальнейшем положение регулятора не изменять.

Определить избирательность по соседнему каналу в одной из точек середины диапазона СВ.

Настроить приёмник на частоту, соответствующую крайней левой отметке шкалы частот диапазона СВ и определить чувствительность в этой точке. Настроить генератор на промежуточную частоту и определить избирательность по промежуточной частоте.

Настроить приёмник и генератор на середину диапазона К1 и определить чувствительность приёмника в этой точке. Не изменяя настройки приёмника, настроить генератор на частоту зеркального канала (контроль точности настройки – по максимуму показаний вольтметра). Определить избирательность приёмника по зеркальному каналу.

И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН

Связь между радиопередатчиком и радиоприемником осуществляется при помощи свободных электромагнитных волн. От радиопередатчика модулированные токи высокой частоты поступают в антенну, которая преобразует их энергию в энергию свободных электромагнитных волн. В задачу передающей антенны входит сосредоточение излучения свободных радиоволн преимущественно в одном направлении одной плоскости.

Антенна радиоприемника выполняет обратные функции. Она преобразует энергию свободных электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты и обеспечивает выделение радиоволн, приходящих с заданных направлений. Передающая и приемная антенна обратимы, это позволяет при работе на передачу определять ее свойства в режиме приема, и наоборот. Практически этим свойством антенны широко пользуются, тем более, что некоторые характеристики антенн удобнее и нагляднее определять в режиме передачи, а некоторые — в режиме приема. Конструктивно приемная антенна может быть выполнена проще передающей, так как для нее не возникает вопрос об опасности перенапряжений.

Антенна характеризуется рядом общетехнических и экономических показателей. К ним относятся: степень сложности устройства, размеры, механическая прочность и надежность в работе, удобство в эксплуатации, стоимость. Кроме этого, имеются и специальные радиотехнические показатели, характеризующие антенну с точки зрения выполняемых ею специфических функций. Электрические характеристики антенны тесно связаны с ее конструктивными и экономическими показателями.

Предъявляемые к антеннам требования, противоречат одно другому и выходом из положения являются компромиссные решения. Так, выполнение требования по уменьшению стоимости, размеров, массы антенны влекут за собой уменьшение либо ее диапазонности, либо коэффициента усиления (эффективности), либо и того и другого одновременно. При всем многообразии систем и конструкций, передающих и приемных антенн, существуют общие характеристики и принципы, на которых основана их работа.

Приемная антенна по отношению к питающей линии (фидеру) является генератором высокочастотных колебаний, входное сопротивление которого равно входному сопротивлению этой же антенны, работающей в режиме передачи. Коэффициент полезного действия, сопротивление излучения, направленные свойства и т. д. антенны, работающей в режиме приема, остаются без изменения, если ее использовать в качестве передающей.

Передающая антенна по отношению к фидеру эквивалентна нагрузке, потребляющей мощность. Часть этой мощности излучается в пространство, а часть рассеивается в виде тепла в самой антенне. Обычно антенна не поглощает всей мощности, подводимой к ней питающей линией (фидером). Часть энергии при этом отражается обратно в линию. В этом случае между линией и выводами антенны можно включить реактивный четырехполюсник (линию с параметрами, отличными от параметров фидера) и, по крайней мере, на одной частота обеспечить передачу максимальной мощности в антенну. Для этого надо знать две величины, характеризующие антенну как нагрузку на заданной частоте — активное R_а и реактивное Х_асопротивления на ее выводах. Знание этих сопротивлений позволяет правильно подобрать элементы выходного колебательного контура и соединительного устройства между ним и антенной и получить надлежащий коэффициент полезного действия (КПД) выходной цепи передатчика. Коэффициент полезного действия собственно антенны η_а равен отношению полезной мощности, за которую принимают мощность излучения Р_Σ, к полной мощности, расходуемой антенной. Последняя больше мощности излучения на величину потерь энергии в антенне. Поэтому

η_а= Р_Σ /Р_а = Р_Σ /( Р_Σ + Р_п). (1)

Излучаемую антенной мощность выражают через активное сопротивление, которое называют сопротивлением излучения R_Σ,и ток, в частности ток на выводах антенны I_a:

Р_Σ =I²_a·R_Σ (2)

Сопротивление излучения не всегда связывают с током на выводах. Нередко сопротивление излучения антенны относят к току в пучности (в максимуме). Сопротивление излучения антенны не зависит от тока. Оно, являясь активным, не вызывает преобразования электрической энергии в тепловую, а только характеризует способность антенны к излучению электромагнитной энергии.

Аналогичным образом определяют и мощность потерь:

Р_п =I²_a·R_п(3)

где R_п— сопротивление потерь.

Коэффициент полезного действия антенны при этом равен:

η_а = R_Σ /( R_Σ + R_п). (4)

Выполняя свою первую функцию — преобразование энергии токов высокой частоты в энергию свободных электромагнитных волн — передающая антенна характеризуется тремя показателями: к.п.д. антенны, η_а, активным R_аи реактивным Х_асопротивлениями на выводах. Эти показатели определяют изменением, расчетом или комбинацией этих способов.

Вторая функция передающей антенны — надлежащее распределение в пространстве энергии излучаемых электромагнитных волн. О направленных свойствах антенны судят по форме ее диаграмм направленности и некоторым численным показателям, таким как ширина диаграммы направленности, к.н.д., эффективная площадь антенны. Вопросы, связанные с направленностью антенны, необходимо учитывать при ее выборе, установке и ориентации, поэтому рассмотрим их более детально.

Под диаграммой направленности антенны понимают графическое изображение распределения уровней мощности (или поля), излучаемых антенной на одинаковом расстоянии от нее в различных направлениях какой-либо плоскости, проходящей через центр или ось антенны. Если антенну, например вибратор, поместить в точку О, окружить сферой радиуса r ивкаждой точке М на поверхности сферы измерить напряженность поля, излучаемого антенной, то в результате можно получить некоторую пространственную фигуру — характеристику направленности антенны. В нашем примере такой фигурой является тороид, показанный на рис. 5. Положение любой точки М на сфере полностью определяется тремя координатами — радиусом сферы r = ОМ, азимутальным углом φ и зенитным углом θ (или углом места Δ = 90°— θ). В дальнейшем будем пользоваться двумя последними координатами для построения диаграмм направленности антенн.

Свободные электромагнитные волны характеризуются электрическим Е и магнитным Н векторами напряженности поля. Силовые линии электрического поля вибратора лежат в меридиональных плоскостях (плоскостях, проходящих через ось OZ), а магнитного — в экваториальных плоскостях, перпендикулярных оси OZ ( рис. 1). Поэтому меридиональную плоскость называют иначе Е-плоскостью, а экваториальную — Н— плоскостью (или плоскостями Е, Н).

Радиоволны — поляризованные волны. Поляризацию радиоволны определяют по ориентировке вектора напряженности электрического поля относительно направления ее распространения. Наличие поляризации налагает определенные требования на ориентировку приемной антенны в пространстве. Она должна совпадать по поляризации с передающей. В противном случае прием радиоволн будет ослаблен.

Для определения характеристики направленности антенны в большинстве случаев ограничиваются снятием ее диаграмм направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации Е и Н. В зависимости от ориентации антенны относительно поверхности земли плоскость Е может быть горизонтальной или вертикальной.

Антенны передатчиков на телецентрах в большинстве случаев ориентированы таким образом, что плоскость Е совпадает с плоскостью горизонта. При снятии диаграммы направленности в горизонтальной плоскости изменяется азимутальный угол φ, при этом зенитный угол θ = 90^о остается постоянным. При снятии диаграммы направленности в вертикальной плоскости остается неизменным угол φ = 0°, а переменным становится угол θ. Диаграммы направленности строят в полярной или прямоугольной (декартовой) системах координат (рис.2, 3). На этих рисунках изображена диаграмма направленности симметричного вибратора в плоскости Е. Диаграммы направленности, выполненные в полярных координатах, отличаются большей наглядностью. Прямоугольная же система координат позволяет изменить масштаб по обеим осям, и добиться на графике большей четкости в областях малой интенсивности излучения без применения, например логарифмических единиц отсчета.

На практике в основном пользуются нормированными диаграммами направленности, в которых интенсивность излучения отнесена к максимальному значению (рис. 4). Обычно ширина диаграммы направленности антенны определяется как угол между двумя направлениями, в которых уровень мощности излучения равен половине уровня в максимуме, иногда ширину диаграммы направленности определяют как угол между двумя направлениями, соответствующими первым (относительно направления главного излучения) нулевым уровням излучения. При этом обязательно оговаривают уровень излучения. Диаграммы направленности строят в единицах мощности и в единицах поля. Угол раскрыва (ширина диаграммы направленности) не меняется в зависимости от того, в каких единицах построены графики, меняется лишь значение уровня, по которому ведете» отсчет. Для единиц мощности он равен 0,5Р_mах, а для единиц напряженности поля — 0,707 Е_mах.

В общем случае диаграмма направленности антенны (рис. 8) имеет ряд максимумов и минимумов. Как правило, один из максимумов по уровню заметно превышает остальные. Часть диаграммы направленности, содержащая этот максимум и заключенная в секторе углов, ограниченных направлениями двух соседних минимумов, называется основным или главным лепестком. Соседние максимумы образуют боковые лепестки. Линию, проходящую через начало координат и точку максимума главного лепестка, называют направлением главного излучения. По лепесткам, лежащим в секторе углов ±(90°—180°) относительно главного направления, судят о побочном (заднем) излучении антенны. На практике пользуются понятием коэффициента защитного действия антенны. Под ним понимают отношение уровня излучения в обратном направлении к уровню излучения в главном.

С точки зрения радиопередачи (радиоприема) далеко не безразлично, каким образом в пространстве распределяется излучаемая антенной энергия. Во многих случаях желательно излучать энергию преимущественно в одну сторону, увеличивая тем самым дальность радиосвязи при прочих равных условиях. Энергия, излучаемая в другие стороны, оказывается затраченной не только бесполезно, но подчас и вредно, поскольку она способствует увеличению взаимных помех соседним радиостанциям. Поэтому при отработке направленной антенны стараются уменьшить ее боковое и заднее излучение и сосредоточить энергию в пределах главного лепестка диаграммы направленности.

По диаграммам направленности можно получить исчерпывающие оценки направленных свойств антенны, в том числе и значение коэффициента направленного действия (КНД).

Повторим, что показателем, характеризующим антенну в целом, как с точки зрения потерь энергии при ее преобразовании, так и с точки зрения распределения энергии в пространстве, является коэффициент усиления антенны. Он численно равен произведению коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента направленного действия (КНД) и поэтому всегда меньше последнего. Нередко антенну сопоставляют не с изотропным излучателем, а сравнивают ее коэффициент усиления с коэффициентом усиления какой-либо другой антенны. При этом обязательно оговаривают, какая антенна принята в данном случае за эталон.

Необходимо учесть, что антенна должна выполнять отмеченные выше функции не на одной частоте, а в некоторой области (полосе) частот, и выполнять их так, чтобы весь антенный тракт не вносил заметных искажений в распределение энергии между отдельными частотами спектра. Как и в какой степени, антенна справляется с поставленной задачей, показывает ее частотная характеристика. Частотная характеристика обусловлена зависимостью входных сопротивлений антенны и ее к.н.д. от частоты.

Рассмотренные технические показатели и характеристики антенн являются основными, но не единственными. Почти каждый класс антенн применительно ких назначению характеризуется еще рядом своих дополнительных показателей.

Узнать еще:

Ф – 11. «Электромагнитные волны». Задания второго уровня — Студопедия

Задания второго уровня.

1.Какой смысл имеет утверждение: электромагнитные волны – это поперечные волны?

А. В электромагнитной волне вектор направлен поперек, а вектор вдоль направления распространения волны;

Б. В электромагнитной волне вектор направлен поперек, а вектор вдоль направления распространения волны;

В. В электромагнитной волне векторы и направлены перпендикулярно направлению распространения электромагнитной волны;

Г. Электромагнитная волна распространяется только поперек поверхности проводника.

2.Движутся четыре электрона:

1 – равномерно и прямолинейно; 2 – равномерно по окружности;

3 – прямолинейно и равноускоренно; 4 – совершает гармонические колебания вдоль прямой.

Какие из них излучают электромагнитные волны?

А. Все; Б. Только 2, 3, 4; В. Только 3, 4; Г. Только 1, 4.

3.При приеме электромагнитных волн радиоприемником особым методом (детектирование, демодуляция) выделяют колебания …

А. высокой частоты; Б. низкой частоты;

В. любые колебания; Г. механические колебания звуковой частоты.

4. На рисунке изображена схема детекторного радиоприемника. С помощью какого элемента приемника осуществляется настройка на определенную радиостанцию?

А. 1;

Б. 2;

В. 3;

Г. 4, 5.
5.На рисунке (задание 4.) изображена схема детекторного радиоприемника. С помощью какого элемента приемника осуществляется детектирование колебаний?

А. 1; Б. 2; В. 3; Г. 4, 5.

6.На рисунке изображена принципиальная схема генератора с амплитудной модуляцией электромагнитных колебаний. В каком элементе генератора непосредственно происходит модулирование электромагнитных колебаний?

А. 1;

Б. 2;

В. 3, 5;

Г. 4.
7.Какую функцию выполняет антенна радиоприемника?

А. Выделяет из электромагнитной волны модулирующий сигнал;

Б. Усиливает сигнал одной избранной волны;

В. Принимает все электромагнитные волны;

Г. Принимает все электромагнитные волны и выделяет одну нужную.

8. Какую функцию выполняет колебательный контур радиоприемника?

А. Выделяет из электромагнитной волны модулирующий сигнал;

Б. Выделяет из всех электромагнитных волн только совпадающие по частоте с собственными колебаниями;

В. Принимает все электромагнитные волны;

Г. Принимает все электромагнитные волны и выделяет одну нужную.

9.Какие явления происходят во время радиоприема в цепи детектора радиоприемника?

А. Возникают звуковые волны;

Б.Возникают механические колебания звуковой частоты;

В. Через обмотки электромагнитов протекает пульсирующий ток, при этом их сердечники в такт с пульсациями то сильнее, то слабее намагничиваются;

Г. Высокочастотные модулированные колебания преобразуются в ток звуковой частоты.

10.Какие явления происходят во время радиоприема в динамике радиоприемника?

А. Возникают механические колебания звуковой частоты;

Б. Под действием радиоволн происходят электрические колебания высокой частоты, амплитуда которых изменяется со звуковой частотой;

Г. Высокочастотные модулированные колебания преобразуются в ток звуковой частоты.

11.Какие явления происходят во время радиоприема в воздухе около динамика радиоприемника?

А. Возникают звуковые волны;

Б. Возникают механические колебания звуковой частоты;

В. Под действием радиоволн происходят электрические колебания высокой частоты, амплитуда которых изменяется со звуковой частотой;

Г. Через обмотки электромагнитов протекает пульсирующий ток, при этом их сердечники в такт с пульсациями то сильнее, то слабее намагничиваются.

12.Имеется ли существенное различие в условиях распространения электромагнитных волн на Земле и на Луне?

А. Имеются, т.к. на Луне отсутствует ионосфера;

Б. Имеются, т.к. на Луне отсутствует атмосфера;

В. Не имеются, т.к. на Луне и на Земле явления дифракции и интерференции проявляются одинаково;

Г. Имеются из-за различия ускорения силы тяжести.

13. Для измерения расстояний по отраженным сигналам используют радиолокацию и звуколокацию. Какой из этих двух видов локации применим и в воздухе, и в морской воде?

А. Оба; Б. Ни один; В. Звуколокация; Г. Радиолокация.

14. Входной колебательный контур радиоприемника, связанный с антенной, состоит из конденсатора емкостью 1 мкФ и катушки индуктивностью 1 мкГн. На какую длину волны настроен радиоприемник?

А. 1884 м; Б. 18,84 м; В. 18,84 км;Г. 188,4.

15. На какой частоте корабли передают сигналы бедствия SOS, если по Международному соглашению длина радиоволн должна быть равна 600 м?

А. 2 МГц; Б. 0,5 МГц; В. 1,5 МГц; Г. 6 МГц.

16. На каком расстоянии от локатора находится цель, если отраженный сигнал возвратился через 3,0*10^-4 с?

А. 45 км; Б. 4,5 км; В. 450 м; Г. 900 км.

17. При увеличении частоты колебаний в 2 раза энергия, излучаемая открытым колебательным контуром…

А. уменьшается в 2 раза; Б. увеличивается в 2 раза;

В. не изменяется; Г. увеличивается в 16 раз.

Законы физики!

О, как они важны.

На сложность их бессмысленно сердиться…

И все свободные минутки

Лишь ей, лишь физике отдать,

Она богиня нам и мать…

Простейшие радиоприемники

Схемы простейших детекторных радиоприемников с усилителями низкой частоты (УНЧ) на транзисторах представлены ниже. На рис. 1б и рис. 1в в качестве детектора служат диоды VD1 типа Д9 (Д2, Д220, ГД403), а на транзисторах VT1, VT2 собран усилитель низкой частоты, работающий на высокоомные головные телефоны, сопротивлением 1600…4400 Ом.

На рисунке рис. 1а функции детектора выполняет транзистор VT1.

В качестве контурных катушек в эти приемниках можно использовать каркас круглого сечения из изоляционного материала (пластмассы, карболита или плотного картона), диаметром 20…80 мм и длиной 180 мм. Для диапазона средних волн катушка радиоприемника должна содержать 60…80 витков провода ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,3…0,8 мм, намотанных плотно в один слой. Для диапазона длинных волн катушка имеет 200…300 витков, намотанных так же в один слой, проводом ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,15…0,3 мм. Можно так же применить каркасы от старых радиоприемников, диаметром 5…12 мм с ферритовым сердечником, при этом намоточные данные остаются теми же, но намотку необходимо производить более тонким проводом (намотка в навал). Отводы у контурных катушек по схеме рис. 1а и рис. 1в сделаны примерно от 1/10 части общего числа витков.

Для простейших радиоприемников, представленных выше необходима длинная внешняя антенна и хорошее заземление.

Схема простейшего радиоприемника на Рис.2 содержит три транзистора. В этой схеме используется необычное включение (последовательное) колебательного контура в базу первого каскада УНЧ.

Каскад на транзисторе VT1 выполняет функцию детектора и усилителя ВЧ. Применение транзисторов разной проводимости позволило значительно упростить схему. В данном радиоприемнике прослушивание производится на динамик с сопротивлением звуковой катушки 28…50 Ом.

Контурная катушка L1 может быть применена, как и в простейших радиоприемниках на рис.1, так и может быть намотана на ферритовом стержне диаметром 8…10 мм длиной 100…200 мм, с теми же количеством витков, проводом ПЭВ 0,12…0,2 мм (либо ЛЭШО 7х0,07 ). Дроссель Др1 намотан на кольце диаметром 8…10 мм и содержит 100…200 витков провода ПЭВ 0,15, равномерно в навал по всему кольцу.

Еще одна схема простейшего радиоприемника дана на рис. 3. Радиоприемник собран всего на одном транзисторе, но представляет собой рефлексную схему. Рефлексная схема образована за счет конденсатора С3, включенного между коллектором транзистора VT1 и входным контуром. При изменении емкости конденсатора С3 обратная связь увеличивается, приближаясь к порогу возбуждения, тем самым искусственно увеличивая добротность входного контура, повышая тем самым чувствительность радиоприемника.

Катушка L1 намотана на ферритовом стержне, как и в предыдущей схеме на рис. 2, а катушка L2 расположена в средней части поверх L1, на бумажном каркасе. и должна перемещаться с небольшим трением. Катушка L2 содержит 5…10 витков того же провода, что и L1, намотка их производится в одном направлении, а при подключении важно соблюсти полярность.

В предлагаемых выше схемах транзисторы КТ315 могут быть заменены на МП35…МП38, КТ368, КТ3102, а КТ361 на МП39…МП42, КТ3107.

Источник:

Я. Войцеховский.

Радиэлектронные игрушки

(электроника дома, на работе, в школе),

Москва «Советское радио»,1977 г.

Скачать книгу «Радиэлектронные игрушки» можно здесь…

Детекторный AM-приемник: теория и практика

Существует много различных схем радиоприемников. В современной электронике нередко используется супергетеродинный приемник с несколькими преобразованиями сигнала в сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Также бывают, например, радиоприемники прямого преобразования и регенеративные приемники. Но, будучи начинающим радиолюбителем, я решил начать изучение приемников с наиболее простой схемы — детекторного приемника.

Теория

Так выглядит схема простейшего детекторного AM-приемника:

Антенна подключается к разъему J1. L1 и C1 представляют собой уже знакомый нам полосно-пропускающий фильтр. С его помощью производится настройка на интересующую частоту и подавление всех остальных частот. Германиевый диод D1 работает, как выпрямитель. В былые времена вместо диодов использовались кристаллические детекторы (crystal detector). Отсюда схема и получила свое название, детекторный приемник (crystal radio).

Далее с диода сигнал поступает на резистор R1 и пьезоэлектрические наушники, подключаемые к разъему J2. Пьезоэлектрические наушники обладают очень высоким сопротивлением (мегаомы), а также обладают емкостью (десятки-сотни пикофарад). Вместе вся конструкция работает, как фильтр нижних частот. То есть, она пропускает нижние частоты, коими на выходе диода является интересующий нас звуковой сигнал, и отрезает высокочастотную составляющую. R1 типично используют номиналом 22-82 кОм.

Вместо пьезоэлектрических наушников также допускается использовать высокоомные электромагнитные наушники. Такие наушники имеют сравнительно низкое сопротивление (килоомы) и не проявляют емкостных свойств. Поэтому при их использовании резистор R1 заменяют на конденсатор номиналом 500-2000 пФ. В итоге схема получается аналогичной. Стоит отметить, что электромагнитные наушники в наше время стоят заметно дороже пьезоэлектрических.

Можно заметить, что схема не имеет какого-либо питания. Для работы ей достаточно энергии самих электромагнитных волн. Но чтобы фокус удался, в схеме обязательно должен использоваться германиевый диод 1N34 или аналогичный, а также высокоомные наушники. Обычные низкоомные наушники не годятся, потому что приемнику не хватит энергии их раскачать. В более сложных вариантах детекторного приемника могут применяться транзисторные усилители (соответственно, нужно питание), каскады из нескольких фильтров, и так далее. Однако в рамках этой статьи будет рассмотрена только базовая схема.

Примечание: Тема германиевых диодов и российских аналогов 1N34 ранее поднималась в заметке Собираем индикатор напряженности поля.

Практика

Было решено изготовить детекторный приемник на интервал частот где-то от 7 до 8 МГц. Во-первых, в этот интервал попадает радиолюбительский диапазон 40 метров (7.0-7.2 МГц), и у меня есть на него несколько неплохих антенн. Во-вторых, в интервале 7.2-7.45 МГц находится широковещательный диапазон 41 метр. По опыту работы в эфире мне известно, что ночью на нем много мощных AM-станций, проходящих с уровнем S9+30 и выше.

Вот что у меня получилось в итоге:

Можно заметить, что схема несколько раз перепаивалась и переклеивалась. Связано это с тем, что вообще-то детекторные приемники довольно капризны. Как результат, было проведено немало времени за экспериментами с различными катушками и конденсаторами. Ниже описан наилучший вариант, который мне удалось получить.

Я использовал переменный конденсатор на 12-365 пФ и катушку индуктивности на ~7.3 мкГн с 12-ю отводами. Последняя, как обычно, была рассчитана при помощи coil32.ru. В качестве каркаса был использован кусок трубы ПВХ диаметром 16 мм. Намотка производилась эмалированным проводом толщиной 0.6 мм. Сначала (начиная от земли) я сделал 3 витка и первый отвод. Затем по отводу через каждые 2 витка. Таким образом, на 6-м отводе (13-ый виток) катушка имеет индуктивность около 3 мкГн, при которой приемник должен без проблем попадать в интересующий интервал частот:

>>> from math import pi,sqrt
>>> L = 3/1000/1000
>>> C = 130/1000/1000/1000/1000
>>> 1/(2*pi*sqrt(L*C))
8059123.816756153
>>> C = 170/1000/1000/1000/1000
>>> 1/(2*pi*sqrt(L*C))
7047499.335473463

В цепи всегда присутствуют паразитная емкость и другие нежелательные эффекты, индуктивность катушки редко идеально совпадает с расчетной, и так далее. Поэтому нужен некоторый запас по емкости и большое число отводов у катушки, чтобы иметь неплохие шансы все эти эффекты скомпенсировать.

Пьезоэлектрический динамик как на фото можно найти на eBay по запросам вроде «crystal earphone» или «piezoelectric earphone». Его цена вместе с доставкой составляет не более 10$. Прочие компоненты и их номиналы были описаны выше по тексту.

Полученные результаты

Начнем с чего-нибудь попроще. Подключим к приемнику телескопическую штыревую антеннку длиной около полуметра. С ее помощью можно уверено принимать сигнал в AM или CW, передаваемый с мощностью 5 Вт при помощи собственного трансивера на находящуюся неподалеку КВ-антенну. Неэффективная приемная антенна использована намеренно, для аттенюации сигнала. В итоге эксперимент более-менее аналогичен приему на эффективную полноразмерную антенну реальной AM-станции, передающей сигнал с мощностью, измеряемой киловаттами. При кручении ручек приемника сигнал исчезает. Выглядит так, как если бы полосно-пропускающий фильтр работал должным образом.

Затем я попробовал принять сигнал от трансивера на полноразмерную КВ-антенну, установленную от передающей антенны на расстоянии около 20 метров. В итоге даже сигнал с минимальным уровнем 5 Вт оказался слишком сильным. Приемник слышит его практически при любом положении ручек, а динамик довольно быстро залипает и перестает передавать звук. В моем случае, спустя несколько минут он отлипал обратно. Но вообще, много раз повторять такой эксперимент я бы не советовал.

Наконец, попробуем принять какую-нибудь широковещательную AM-станцию. Тут есть пара тонкостей.

Первая состоит в том, что приемник имеет не очень понятно какой импеданс. Если подключить к нему 50-иомный коаксиальный кабель, идущий к согласованной антенне, то шансы принять какую-либо станцию будут не велики. Большая часть принятой энергии отразится от приемника и уйдет обратно в антенну. Кроме того, часть энергии потеряется в кабеле и в согласующем устройстве, ежели такое используется. По этой причине детекторные приемники обычно подключают напрямую (без СУ) к антенне «длинный провод». Импеданс все еще никак не согласован, но по крайней мере мы избавились от лишних потерь в кабеле и СУ. За счет этого повышаются шансы что-нибудь принять.

Вторая тонкость вот какая. Лучше всего проводить тестирование где-нибудь в деревне, как это делал я, или даже в лесу. Этим также увеличиваются шансы принять какие-нибудь станции. Дело в том, что на коротких волнах уровень шума очень высок в черте города. Чем дальше вы от крупных городов, тем ниже уровень шума, тем больше отношение сигнал/шум, и тем лучше слышен сигнал.

«Длинного провода» у меня сейчас нет, и делать его специально под детекторный приемник не хотелось. Вместо этого я подключил приемник к своей антенне delta loop. При этом согласующее устройство антенны лежало в сторонке и в эксперименте не участвовало. Ночью, когда открывается дальнее прохождение, принимается множество радиостанций. На удивление громко слышна речь на разных языках, некоторые из которых я не могу распознать, а также музыка из самых отдаленных уголков Земли. Неплохо для цепи, состоящей всего из пяти компонентов!

В принципе, днем тоже слышны какие-то радиостанции. Но их меньше, и уровень сигнала намного ниже. Если попытаться использовать ту же delta loop с согласующим устройством и коаксиальным кабелем, то ничего не слышно ни ночью, ни днем. Точнее, какое-то слабое присутствие вроде как есть, но разборчивость нулевая.

Заключение

Подведем итоги. Сигнал передавали? Передавали. Приемник его принимал? Принимал. Дальние AM-станции слышали? Слышали. Считаю, что работающий AM-приемник засчитан. Да, он совсем простенький. Но как познавательный эксперимент такой приемник имеет безусловную ценность. Понимание принципов его работы пригодится при изготовлении более сложных приемников.

А доводилось ли вам делать радиоприемники и если да, то по какой схеме вы их делали?

Дополнение: Схема AM-модулятора на одном транзисторе

Метки: Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.

Что такое антенна? — Определение и использование

радио, которое настраивается на определенную радиочастоту

Как работает антенна?

Антенны имеют множество различных применений, от WiFi до радио, но все они работают в основном одинаково: передатчик , посылает сигнал, который перехватывается приемником .

Прослушивание музыки в автомобиле начинается с радиостанции с большим радиопередатчиком.Передатчик работает, принимая звук, например музыку, и превращая шум в электрический ток. Затем ток течет вертикально по радиомачте к вершине, где заставляет электроны, заряженные частицы внутри атома, подпрыгивать. Это создает электромагнитные радиоволны и отправляет их на сотни миль. Электрооборудование передает электрический ток определенной частоты — скажем, 101,5 мегагерца.

Эти волны затем принимаются радиоприемниками. Радиоприемники имеют антенны, которые подключены к тюнерам.Тюнеры ищут определенную частоту радиоволн. Если вы скажете тюнеру, чтобы он смотрел на 101.5, тюнер принимает входящие радиоволны, а усилитель берет на себя. Усилитель усиливает звук, чтобы вы могли слышать музыку в машине.

Эта радиовышка передает волны на определенной частоте.

Эта концепция радиопередачи и приема верна во всех областях применения антенн, от сотовых телефонов до космической связи.Однако конструкция антенны обычно зависит от ее назначения. Давайте посмотрим на эту радиоприемную антенну, чтобы понять, почему.

AM и FM: длина антенны

AM и FM-радио работают одинаково: волны модулируются или кодируются и попадают в приемник для обработки и усиления. AM или амплитудная модуляция — это сигнал, который изменяет амплитуду волны, чтобы изменить сигнал. FM, или частотная модуляция, изменяет частоту радиоволн, чтобы изменить сигнал.

AM изменяет амплитуду, FM меняет частоту

AM-радио вещает в диапазоне от 540 до 1600 килогерц, а FM-радио вещает в диапазоне от 88,1 до 108,1 мегагерц — примерно в сто раз быстрее. Поскольку длина волны AM-сигнала намного больше, чем у FM-сигнала, антенна также должна быть намного длиннее. Антенна FM может выступать из верхней части радиоприемника, но антенна AM — длинная проволочная петля, плотно обернутая вокруг магнита, на самом деле спрятана внутри.

Башни и спутники: форма антенны

Башни радиостанций одинаково передают радиоволны во всех направлениях, в том числе в атмосферу. Некоторые волны проходят через воздух, некоторые проходят через землю, а некоторые даже отражаются от атмосферы и возвращаются на Землю. Точно так же FM-антенна вашего автомобиля принимает волны (почти) одинаково со всех сторон.

Параболические антенны или антенны в форме тарелки имеют форму параболы для отражения радиоволн.Думайте об этом как о способе сосредоточить радиоволны на определенной области. Если вы хотите отправить музыку напрямую своему другу Алексею, а не своей подруге Бри, вы должны использовать свою параболическую антенну, чтобы посылать радиоволны в направлении Алексея.

Параболические антенны используются в основном в спутниковом телевидении или космической связи. Те, которые используются для связи с космическими спутниками, находятся на автоматических траекториях, которые могут перемещать антенну в направлении спутника.

Параболическая антенна

Антенна для беспроводного Интернета и усиление

Антенны для беспроводного Интернета работают так же, как и любое радио, только на более высокой частоте.FM-радио обычно работает на частоте до 108 мегагерц, а Wi-Fi — обычно 2,4 гига герц. Новые беспроводные интернет-маршрутизаторы транслируют на частоте 5,0 гигагерц. Беспроводные интернет-маршрутизаторы транслируют радиосигналы, а беспроводные устройства, такие как ноутбуки и телефоны, принимают эти сигналы. Как только сигнальное соединение инициировано, пакеты данных отправляются по соединению. Когда вы открываете веб-сайт, ваш компьютер отправляет запрос маршрутизатору, а маршрутизатор отправляет информацию обратно.

Современным беспроводным интернет-соединениям действительно присущи проблемы с подключением, потому что неэкономично включать большую антенну в каждый маршрутизатор.Преграды в доме и на большом расстоянии легко нарушают подключение к Интернету. Вот почему были изобретены бустеры для беспроводного интернета . Бустеры беспроводного Интернета повторяют полученное соединение. Эти устройства стратегически размещены в определенной области и получают подключение к Интернету. Интернет-соединение затем ретранслируется усилителем, что почти вдвое увеличивает охват.

Кстати, у WiFi частота примерно в десять раз больше, чем у FM-радио. Как вы думаете, какой длины антенна в вашем ноутбуке? Как вы думаете, он линейный или параболический? Люди, которых называли «wardrivers», очень интересовались этим, когда впервые был изобретен Wi-Fi.Они использовали свои знания о сетях Wi-Fi, чтобы разбить лагерь возле офисов и получить бесплатный доступ в Интернет. Стандартные антенны были не такими прочными, как требовалось, поэтому некоторые из них были импровизированы с помощью самодельных антенн. Некоторые водители даже использовали банки Pringles! Антенны действительно бывают всех форм и размеров.

Краткое содержание урока

Антенна — это устройство из проводящего металла, которое улавливает и / или излучает электромагнитные радиоволны . Отправитель называется , передатчик ; перехватчик называется приемник .Изменение размера и формы антенн может помочь приспособить их к различным функциям.
Электромагнитные радиоволны — это волны определенной частоты (от 3 килогерц до 300 гигагерц), которые невидимы для человеческого глаза и используются для связи на большие расстояния.
Параболические антенны , или «тарельчатые» антенны, имеют форму параболы для отражения радиоволн.
Сигналы могут быть усилены путем их приема и ретрансляции.

Добро пожаловать в Антенны 101 | Электронный дизайн

>> Ресурсы веб-сайта
.. >> Библиотека: TechXchange
.. .. >> TechXchange: конструкция антенны 101

Загрузить статью в формате .PDF

Антенны — это гораздо больше, чем простые устройства, подключенные к каждому радио. Это преобразователи, которые преобразуют напряжение передатчика в радиосигнал. И они собирают радиосигналы из воздуха и преобразуют их в напряжение для восстановления в приемнике.

Обычно принимаемые как должное и оставляемые на последнюю минуту в конструкции, антенны, тем не менее, имеют решающее значение для установления и поддержания надежной радиосвязи. Они могут показаться сложными и загадочными для большинства инженеров, особенно для EE, впервые работающих с беспроводными приложениями, не говоря уже о том, что они бывают бесконечного разнообразия размеров и форм. Однако краткий обзор основ может помочь развеять любые дизайнерские заботы.

А что такое радиоволна?
Радиоволна — это комбинация магнитного поля, расположенного под прямым углом к электрическому полю.Оба колеблются с определенной частотой и движутся вместе в направлении, перпендикулярном обоим полям ( Рис. 1 ). Эти электромагнитные поля движутся со скоростью света (около 300 миллионов метров в секунду или около 186 400 миль в секунду) через свободное пространство. Согласно хорошо известным уравнениям Максвелла, они поддерживают и восстанавливают друг друга по пути, но ослабевают на расстоянии.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5ee007a85553df2a008b45ec» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «1.Антенна создает как электрические, так и магнитные поля, перпендикулярные друг другу, а также направлению распространения. «Data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/ image / 2020/06 / Antenna_101_Fig_1.5ee007a7587e8.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» 1. Антенна создает как электрические, так и магнитные поля, перпендикулярные друг другу, а также направлению распространения. «]}%

Каковы некоторые характеристики радиоволны?
Одна из ключевых особенностей — ориентация полей относительно земли.Это называется поляризацией. Антенна имеет вертикальную поляризацию, если электрическое поле вертикально по отношению к поверхности земли. Антенна имеет горизонтальную поляризацию, если она горизонтальна по отношению к поверхности земли.

Есть ли другие важные особенности радиоволны?
Обычно радиоволны имеют ближнее и дальнее поле. Ближнее поле близко к антенне, обычно в пределах нескольких длин волн (?). Дальнее поле составляет около 10 длин волн или более от антенны. Дальнее поле отделяется от антенны и становится радиосигналом.

В таких приложениях, как радиочастотная связь (RFID) и связь в ближнем поле (NFC), используется ближнее поле, которое больше похоже на магнитное поле вокруг первичной обмотки трансформатора. Но в целом дальнее поле — самая полезная радиоволна.

Как работает антенна?
Антенна передатчика генерирует радиоволны. На антенну подается напряжение желаемой частоты. Напряжение на элементах антенны и ток через них создают соответственно электрические и магнитные волны.В приемнике электромагнитная волна, проходящая через антенну, вызывает небольшое напряжение. Таким образом, антенна становится источником сигнала для входа приемника.

Будет ли одна и та же антенна работать и для передачи, и для приема?
Да. Мы называем это антенной взаимностью. Любая антенна будет работать как на передачу, так и на прием. Во многих беспроводных приложениях антенна переключается между передатчиком и приемником.

Будет ли вертикальная антенна принимать горизонтально поляризованный сигнал или наоборот?
В большинстве случаев да.Реальные антенны редко бывают идеально горизонтальными или вертикальными, поэтому некоторый сигнал принимается. Кроме того, большинство сигналов претерпевают сдвиги поляризации на пути передачи из-за отражений и других условий многолучевого распространения. Тем не менее, это несовпадение ориентации антенны вносит некоторое ослабление.

При более точном управлении поляризация может использоваться для мультиплексирования двух сигналов на одной и той же частоте. В некоторых спутниках антенна с вертикальной поляризацией может передавать один сигнал, одновременно передавая или принимая на отдельной антенне с горизонтальной поляризацией на той же частоте.Если поляризация является проблемой в приложении, круговая поляризация может предложить решение.

Что такое круговая поляризация?
Как следует из названия, поляризация непрерывно вращается во время передачи, что позволяет использовать для приема как горизонтальные, так и вертикальные антенны. Для максимального приема необходима приемная антенна с круговой поляризацией.

У вас также может быть антенна, обеспечивающая правую или левую круговую поляризацию (RHCP или LHCP).Это снова позволяет повторно использовать частоту за счет использования разных поляризаций для двух разных сигналов. Часто используется спиральная антенна из спирального проводника и рефлектора. Круговая поляризация чаще всего встречается у спутников.

Как радиосигнал распространяется от передатчика к приемнику?
Сигналы передаются от одной антенны к другой несколькими способами в зависимости от частоты радиоволн. На низких частотах (менее 3 МГц) распространяется земная волна, когда сигнал касается поверхности земли.Расстояние ограничено сотней миль или около того. Радиоволны AM являются хорошим примером распространения низких частот.

На частотах в диапазоне от 3 до 30 МГц (короткие волны) сигналы проходят от 30 до 250 миль в ионосферу, где они преломляются обратно на Землю. Это почти как излучение сигнала так, что кажется, что он отражается от проводящей поверхности. Могут быть достигнуты очень большие расстояния, поскольку сигналы могут совершать несколько прыжков от Земли до ионосферы и обратно несколько раз.

Однако для большинства современных беспроводных коммуникаций диапазон сигналов составляет от 100 МГц до 10 ГГц. Эти сигналы, называемые небесными волнами, распространяются по прямой линии, как световые волны. Для установления соединения необходим прямой путь прямой видимости (LOS) от одной антенны к другой. Таким образом, очевидно, что дальность действия сигнала во многом зависит от высоты антенны.

Какая форма антенн наиболее распространена?
Диполь состоит из двух прямолинейных проводников встык с длиной полуволны (? / 2) ( Рис.2а ). Здесь одна длина волны (?) Равна 300 / f _МГц в метрах. Одна половина длины волны в футах равна 468 / f _МГц или 5616 / f _МГц в дюймах. Член f — это рабочая частота в мегагерцах.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5ee007a81bd25333008b45d1» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «Конструкция диполя состоит из двух & lambda; / 4 элементов, соединенных между собой, некоторые из которых расположены в центре линии передачи (а). В резонансе антенна выглядит как резистор на 73 Ом.Горизонтальная диаграмма направленности диполя выглядит как цифра 8 сверху (b). В 3D шаблон имеет форму бублика с максимальным излучением, перпендикулярным длине антенны. «Data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2020 /06/Antenna_101_Fig_2.5ee007a7563c1.png?auto=format&fit=max&w=1440 «data-embed-caption =» Конструкция диполя состоит из двух сквозных λ / 4 элементов, несколько из которых расположены в центре рядом с линией передачи (a ).В резонансе антенна выглядит как 73- & Ом; резистор. Горизонтальная диаграмма направленности диполя выглядит как цифра 8 сверху (b). В 3D шаблон имеет форму бублика с максимальным излучением, перпендикулярным длине антенны. «]}%

Передатчик или приемник подключается к центру антенны, обычно с помощью линии передачи, такой как коаксиальный кабель. В этот момент антенна имеет эквивалентное резистивное сопротивление 73 Ом. Однако это будет зависеть от высоты антенны и станет сложным импедансом выше или ниже рабочей частоты.Таким образом, антенна действует как резонансный контур.

Какие еще характеристики диполя?
Обычно диполь ориентирован горизонтально по отношению к Земле, что дает ему горизонтально поляризованную волну. Кроме того, излучение от антенны неоднородно во всех направлениях. Идеальная антенна, называемая изотропным источником, излучает сферически или одинаково хорошо во всех направлениях.

В диполе диаграмма направленности имеет форму бублика. Посмотрев на антенну, вы увидите диаграмму направленности в виде цифры 8 ( Рис.2б ). Наибольшее излучение или лучший прием происходит под прямым углом к антенне. На диаграмму направленности сильно влияют находящиеся поблизости проводящие и непроводящие объекты.

Какие еще есть физические формы антенн?
Популярная разновидность диполя — это заземленная антенна или антенна Маркони. Он состоит из одного элемента? / 4, который установлен вертикально и работает с землей или металлическим основанием, называемым заземляющим слоем ( Рис. 3 ). Антенна на плоскости заземления — это всего лишь половина диполя, а другой элемент диполя представлен плоскостью заземления.Поляризация вертикальная, диаграмма направленности круговая или всенаправленная.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5ee007a85553df29008b45f1» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «3. Антенна на плоскости заземления представляет собой вертикальный элемент & lambda; / 4, который работает против плоскости заземления, большой металлической поверхности, земли или, в некоторых случаях, массива проводников, называемых радиальными. Полное сопротивление у основания составляет около 36 Ом; , а для его управления обычно используется коаксиальный кабель 50 Ом.»data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2020/06/Antenna_101_Fig_3.5ee007a757bd2.png?auto=format&fit=max&w=1440 «data-embed- caption = «3. Антенна на плоскости заземления представляет собой вертикальный элемент λ / 4, который работает против плоскости заземления, большой металлической поверхности, земли или, в некоторых случаях, массива проводников. называется радиальными. Импеданс в базе составляет около 36 Ом, а 50 Ом. коаксиальный кабель обычно используется для его управления. «]}%

Есть ли другие распространенные формы?
Да.Патч или микрополосковая антенна распространены на микроволновых частотах (более 1 ГГц). Это квадратное или круглое пятно из проводящего материала шириной примерно в одну половину длины волны. Создать его легко, потому что он обычно реализуется на печатной плате (PCB) ( Рис. 4 ). Рамочная антенна также популярна в некоторых некритических приложениях. Это просто непрерывная петля из проводника, провода или дорожки печатной платы с окружностью 0,1? до 1.0?.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5ee007a85553df2b008b45db» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «4.Патч или микрополосковая антенна изготавливается на печатной плате. На микроволновых частотах легко создавать массивы из патчей, чтобы сформировать фазированную решетку, которая будет иметь усиление, направленность и возможность включать формирование луча и управление. «Data-embed-src =» https: //img.electronicdesign. ru / files / base / ebm / electronicdesign / image / 2020/06 / Antenna_101_Fig_4.5ee007a75633f.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» 4. Патч или микрополосковая антенна изготавливается на печатной плате. На микроволновых частотах легко создавать массивы пятен, чтобы сформировать фазированную решетку, которая будет иметь усиление, направленность и возможность включать формирование луча и управление.»]}%

Могут ли антенны показывать усиление?
Конечно. Антенна может повысить мощность сигнала так же эффективно, как если бы сигнал был усилен электронным усилителем. Он не усиливается как таковой, но усиление формируется в результате концентрации сигнала в более узком луче. Антенна становится более направленной.

Например, диполь концентрирует сигнал в двух лепестках. Следовательно, диполь имеет усиление мощности 1,64 дБ по сравнению с изотропной антенной.Это называется усилением в дБи по отношению к изотропному источнику. Но поскольку в реальной жизни не бывает изотропных источников, мы обычно относим любое усиление антенны к усилению диполя (дБд). Например, 0 дБд = 2,15 дБи.

Как выражается усиление антенны?
Обычно выражается в мощности диполя в дБ. Другое выражение — эффективная излучаемая мощность (ERP) — фактическое количество энергии, которое диполь должен излучать, чтобы произвести тот же эффект, что и усиленная антенна.Вы вычисляете ERP, умножая выходную мощность передатчика на усиление антенны, где усиление — это отношение мощностей, эквивалентное коэффициенту усиления в дБ. Иногда эталон усиления относится к изотропному излучателю, а не к диполю. В этом случае подходящим термином является эффективная изотропная излучаемая мощность (EIRP).

Какую антенну вы используете для усиления?
Есть много разных способов получить усиление. Большинство конфигураций основано на использовании нескольких антенных элементов, таких как несколько диполей или диполь плюс один или несколько паразитных элементов, на которые сигнал не подается напрямую.Знакомый пример — популярный Яги ( рис. 5, ).

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5ee007a81bd2532b008b45ed» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «5. Яги Уда, японский ученый, изобрел антенну Яги. Она состоит из центральной стойки, прикрепленной к ведомому элементу, рефлектора и одного или нескольких направляющих (а). Чем больше количество элементов, тем больше коэффициент усиления и Диаграмма направленности наиболее сильна на конце стрелы рядом с директорами (b).Добавление дополнительных директоров сужает луч и увеличивает коэффициент усиления. «Data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2020/06/Antenna_101_Fig_5.5ee007a759f63.png?auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» 5. Яги Уда, японский ученый, изобрел антенну Яги. Он состоит из центральной стрелы, прикрепленной к ведомому элементу, рефлектора и одного или нескольких направляющих (а). Чем больше количество элементов, тем больше усиление и направленность. Диаграмма направленности наиболее сильна на конце стрелы рядом с директорами (b).Добавление большего количества директоров сужает луч и увеличивает усиление. «]}%

Ведомый элемент — диполь. Он используется с немного более длинным элементом, называемым рефлектором, и тремя более короткими элементами, называемыми директорами. Паразитные элементы фокусируют луч вперед с направлением излучения от директора. Такая антенна может обеспечить эффективное усиление мощности около 10 дБ.

Если добавить больше директоров, можно добиться еще большей выгоды. С семью или более директорами возможно усиление до 20 дБ.Ширина луча излучения очень мала, что может помочь минимизировать помехи от других станций поблизости.

Как работает параболическая или «тарелочная» антенна?
Антенна с максимальным направленным усилением, тарелка, использует дипольную или аналогичную антенну, но добавляет параболическую тарелку в качестве отражателя. Размещение антенны в фокусе параболы заставляет тарелку фокусировать входящий сигнал на антенне или сигнал, излучаемый диполем, фокусируется тарелкой в очень узкий луч ( Рис.6 ).

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5ee007a8ffe8372d008b45e4» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «6. В параболической тарелке антенна размещается в фокусной точке. Это может быть диполь и рупор или любой другой тип антенны. Параболическая тарелка фокусирует сигнал в очень узкий луч, что дает огромное усиление ». data-embed-src = «https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2020/06/Antenna_101_Fig_6.5ee007a76273a.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» 6. В параболической тарелке антенна расположена в фокусе. Это может быть диполь и рупор или антенна любого другого типа. Параболическая антенна фокусирует сигнал в очень узкий луч, что дает огромное усиление. «]}%

Обычно ширина луча составляет менее 1 °. В зависимости от диаметра тарелки усиление может составлять более 50 дБ. Этот вид антенны отлично подходит для очень слабых сигналов, например, от спутников.

Есть ли другие распространенные направленные антенны?
Другой превосходной антенной с направленным усилением является фазированная антенная решетка, которая представляет собой группу диполей или эквивалентных антенн (патч, паз и т. Д.), Установленных в прямоугольную решетку. Типичные решетки могут быть размером четыре на четыре или 16 на 16. Антенны питаются линиями передачи определенной длины для создания синфазных сигналов на антенных элементах. Добавление задержек или фазовых сдвигов дает сигналы на каждой антенне, которые могут помогать друг другу или подавлять друг друга.Это позволяет формировать, перемещать или иным образом управлять диаграммой направленности антенны.

Управляя фазами антенн, можно управлять диаграммой направленности в широком диапазоне ширины луча. С помощью специальных регулируемых фазовращателей луч антенны может быть расширен, сужен или направлен в определенном направлении. Это называется формированием луча. Фазированные решетки широко используются в военных радарах, но эти методы также применяются для сотовой радиосвязи для управления направленностью антенн сотовой связи с целью улучшения качества сигнала.

Если антенна действует как настроенная цепь, как я могу быть уверен, что у нее есть необходимая полоса пропускания?
Антенны резонансные, поэтому у них есть добротность и соответствующая ширина полосы (BW). Для большинства антенн эта полоса пропускания составляет примерно от 10% до 15% резонансной частоты. Важно, чтобы антенна имела достаточно широкий отклик, чтобы пропускать все необходимые боковые полосы, чтобы избежать искажений. Большинство антенн являются селективными, поэтому они могут избавиться от шума и некоторых гармоник, но вам не нужно обрезание боковой полосы. Если вы используете коммерческую антенну, посмотрите характеристики селективности или полосы пропускания, чтобы убедиться, что она подходит.В конструкции антенны физические размеры влияют на ширину полосы пропускания.

Делая элементы дипольной антенны очень тонкими с помощью проволоки, вы получаете очень узкую полосу пропускания. Но расширение их с помощью трубок или разветвление, скажем, в конфигурации «бабочка» значительно увеличивает пропускную способность.

Как антенна подключается к передатчику или приемнику?
Линия передачи соединяет антенну с передатчиком или приемником. Для коротких расстояний это, вероятно, будет короткая микрополосковая линия или полосковая линия на печатной плате.Коаксиальный кабель обычно используется на больших расстояниях в несколько футов и более. Импеданс линии передачи должен соответствовать импедансу антенны и передатчика / приемника, чтобы обеспечить передачу максимальной мощности.

Большинство цепей рассчитаны на импеданс 50 Ом, что хорошо подходит для коаксиального кабеля 50 Ом. С помощью микрополосковой линии вы можете придать линии любой желаемый характеристический импеданс. Сложная часть — это согласование линии с антенной, сопротивление которой может составлять от нескольких Ом до нескольких тысяч Ом, в зависимости от типа и других условий.В большинстве приложений для согласования антенны с линией или линии с цепью используется некоторая форма цепи согласования импеданса LC.

Если импедансы не согласованы, будут отражения и высокий коэффициент стоячей волны (КСВ), что приведет к значительным потерям. Также старайтесь избегать использования коаксиального кабеля, потому что его затухание очень велико на микроволновых частотах. Доступен кабель с низкими потерями, но он по-прежнему сильно ослабляет сигнал. Сохраняйте максимально короткую длину и компенсируйте в передатчике или приемнике потери в кабеле с большим усилением.

Что такое КПД антенны?
Эффективность антенны похожа на эффективность в целом — отношение выходной мощности к входящей. Однако это обозначается по-разному. В большинстве случаев КПД учитывает потери I2R, потери в любом диэлектрике и потери, основанные на связи с другими устройствами. Что не может быть включено, так это любые потери, связанные с потерями рассогласования антенны и линии передачи, что приводит к отраженной мощности и более высокому КСВ.

Тем не менее, некоторые меры коэффициента полезного действия при любом изменении сопротивления излучения антенны.Большинство маленьких антенн не так эффективны. Все, что выше 50–60%, обычно хорошо, но всегда старайтесь улучшить это, если можете.

Стоит ли пытаться создавать собственные антенны?
Если вы не инженер по радиотехнике, то, наверное, нет. Конструкция антенны очень специфична и более чем сложна. Это также одна из тех ниш, где кажется, что работает черная магия. Конструкция антенны — это очень теоретический вопрос, но он в значительной степени основан на эмпирической работе и большом количестве экспериментов.

Если антенна простая, например диполь, заземляющий провод или петля, это может сработать для вас.В остальном на рынке есть тонны коммерческих антенн, способных удовлетворить практически любые потребности. В приложениях с большим объемом, вы даже можете получить специальную антенну. Для достижения наилучших результатов лучше покупать, а не строить.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5ee007a81bd25372008b45e1» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «7. Керамические антенны Savvi от Ethertronics доступны для большинства стандартов беспроводной связи, таких как Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX и некоторых диапазонов сотовой связи.Длина варьируется от 4 мм до 14 мм. «Data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2020/06/Antenna_101_Fig_7.5ee007a761f27.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» 7. Керамические антенны Savvi от Ethertronics доступны для большинства стандартов беспроводной связи, таких как Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX и некоторых диапазонов сотовой связи. Длина варьируется от 4 мм до 14 мм. «]}%

ССЫЛКИ
American Radio Relay League, The ARRL Antenna Book , 1991

Френзель, Луи, Э., Principles of Electronic Communications Systems , 3rd edition, McGraw Hill, 2008

Volakis, John L., Справочник по проектированию антенн , 4-е издание, McGraw Hill, 2007 г.

>> Ресурсы веб-сайта
.. >> Библиотека: TechXchange
.. .. >> TechXchange: конструкция антенны 101

Основы проектирования цифрового радиоприемника (Radio 101)

В этой статье представлены основы проектирования цифрового радиоприемника.Благодаря множеству новых достижений в области преобразователей данных и радиотехники сложная конструкция приемника была значительно упрощена. В этой статье делается попытка объяснить, как рассчитать чувствительность и избирательность такого приемника. Это ни в коем случае не исчерпывающее изложение, но вместо этого является руководством по многим методам и расчетам, используемым в таких конструкциях.

Многие достижения в дизайне и архитектуре радиоприемников в настоящее время позволяют быстро вносить изменения в конструкцию радиоприемников. Эти изменения позволяют уменьшить размер, стоимость, сложность и улучшить производство за счет использования цифровых компонентов для замены ненадежных и неточных аналоговых компонентов.Для того, чтобы это произошло, потребовалось множество достижений в области проектирования и производства полупроводников, которые были реализованы за последние несколько лет. Некоторые из этих достижений включают улучшенные интегрированные смесители, малошумящий усилитель, улучшенные фильтры на ПАВ, более дешевые высокопроизводительные АЦП и программируемые цифровые тюнеры и фильтры. В этой статье кратко излагаются вопросы проектирования и взаимодействия этих устройств с полными радиосистемами.

Что такое радио?

Традиционно радио считалось «коробкой», которая подключается к антенне и всему, что находится за ней, однако многие конструкции систем разделены на две отдельные подсистемы.Радио и цифровой процессор. При такой сегментации цель радиостанции — преобразовать с понижением частоты и отфильтровать полезный сигнал, а затем оцифровать информацию. Точно так же цель цифрового процессора — принимать оцифрованные данные и извлекать желаемую информацию.

Важно понять, что цифровой приемник — это не то же самое, что цифровое радио (модуляция). Фактически, цифровой приемник отлично справится с приемом любого аналогового сигнала, такого как AM или FM.Цифровые приемники могут использоваться для приема любого типа модуляции, включая любые стандарты аналоговой или цифровой модуляции. Более того, поскольку ядром цифрового процессора является процессор цифровых сигналов (DSP), это позволяет управлять многими аспектами всего радиоприемника с помощью программного обеспечения. Таким образом, эти DSP могут быть перепрограммированы с помощью обновлений или новых функций в зависимости от сегментации клиентов, и все это с использованием одного и того же оборудования. Однако это полное обсуждение само по себе, а не в центре внимания данной статьи.

Основное внимание в этой статье уделяется радио и тому, как прогнозировать / проектировать производительность. Будут обсуждены следующие темы:

Доступная мощность шума
Рисунок каскадного шума
Коэффициент шума и АЦП
Коэффициент преобразования и чувствительность
Паразитные сигналы и дизеринг АЦП
Точка пересечения третьего порядка
Джиттер часов АЦП
Фазовый шум
IP3 в разделе РФ

Single-Carrier vs.Мульти-перевозчик

Обсуждаются два основных типа радиоприемников. Первый называется приемником с одной несущей, а второй — приемником с несколькими несущими. Их название подразумевает очевидное, однако их функция может быть не полностью ясна. Приемник с одной несущей — это традиционный радиоприемник, обеспечивающий избирательность в аналоговых фильтрах каскадов ПЧ. Приемник с несколькими несущими обрабатывает все сигналы в пределах полосы с помощью одной аналоговой полосы RF / if и получает избирательность в цифровых фильтрах, которые следуют за аналого-цифровым преобразователем.Преимущество такого приемника заключается в том, что в приложениях с несколькими приемниками, настроенными на разные частоты в одном и том же диапазоне, можно достичь меньшей конструкции системы и снижения стоимости за счет устранения избыточных схем. Типичным приложением является базовая станция сотовой / беспроводной локальной сети. Другим приложением могут быть приемники наблюдения, которые обычно используют сканеры для контроля нескольких частот. Это приложение позволяет одновременно контролировать множество частот без необходимости последовательного сканирования.

Типовой однолинейный приемник

Типовой приемник с несколькими несущими

Преимущества внедрения цифрового радиоприемника

Перед тем, как подробно обсудить проектирование цифрового радиоприемника, необходимо обсудить некоторые технические преимущества. К ним относятся передискретизация, усиление обработки, недостаточная выборка, частотное планирование / размещение побочных эффектов. Многие из них обеспечивают технические преимущества, недостижимые иным способом при использовании традиционной конструкции радиоприемника.

Передискретизация и технологическое усиление

Критерий Найквиста компактно определяет частоту дискретизации, необходимую для любого данного сигнала. Часто частота Найквиста цитируется как частота дискретизации, которая в два раза больше, чем у самого высокочастотного компонента. Это означает, что для приложения выборки ПЧ на частоте 70 МГц потребуется частота дискретизации 140 MSPS. Если наш сигнал занимает всего 5 МГц около 70 МГц, то выборка со скоростью 140 MSPS практически бесполезна. Вместо этого Найквист требует, чтобы сигнал был дискретизирован в два раза больше полосы сигнала.Следовательно, если полоса пропускания нашего сигнала составляет 5 МГц, то выборки на частоте 10 МГц вполне достаточно. Все, что выходит за рамки этого, называется передискретизацией. Передискретизация — очень важная функция, поскольку она позволяет эффективно увеличить принимаемое SNR в цифровой области.

В отличие от избыточной выборки, это действие недостаточной выборки. Недостаточная выборка — это выборка с частотой, намного меньшей, чем половина фактической частоты сигнала (см. Раздел ниже о недостаточной выборке). Следовательно, возможна передискретизация и недостаточная выборка одновременно, так как одно определяется относительно ширины полосы, а другое — интересующей частоты.

В любом процессе оцифровки, чем быстрее сигнал дискретизируется, тем ниже минимальный уровень шума, поскольку шум распространяется по большему количеству частот. Общий интегрированный шум остается постоянным, но теперь он распределен по большему количеству частот, что дает преимущества, если за АЦП следует цифровой фильтр. Минимальный уровень шума соответствует уравнению:

Это уравнение представляет уровень шума квантования внутри преобразователя и показывает взаимосвязь между шумом и частотой дискретизации FS.Следовательно, каждый раз, когда частота дискретизации удваивается, эффективный минимальный уровень шума улучшается на 3 дБ!

Цифровая фильтрация удаляет все нежелательные шумы и паразитные сигналы, оставляя только полезный сигнал, как показано на рисунках ниже.

Типичный спектр АЦП до цифровой фильтрации

Типовой спектр АЦП после цифровой фильтрации

SNR АЦП может быть значительно улучшено, как показано на диаграмме выше. Фактически, отношение сигнал / шум можно улучшить, используя следующее уравнение:

Как показано, чем больше соотношение между частотой дискретизации и шириной полосы сигнала, тем выше выигрыш от процесса.Фактически достижимо усиление до 30 дБ.

Недодискретизация и преобразование частоты

Как указывалось ранее, под дискретизацией понимается процесс дискретизации с частотой, намного меньшей, чем половина фактической частоты сигнала. Например, сигнал 70 МГц, дискретизированный со скоростью 13 MSPS, является примером недостаточной дискретизации.

Недостаточная выборка важна, потому что она может выполнять функцию, очень похожую на смешивание. Когда сигнал недостаточно дискретизирован, частоты накладываются на основную полосу или первую зону Найквиста, как если бы они изначально находились в основной полосе частот.Например, наш вышеупомянутый сигнал 70 МГц при выборке с частотой 13 MSPS будет отображаться на частоте 5 МГц. Математически это можно описать как:

Это уравнение дает результирующую частоту в первой и второй зоне Найквиста. Поскольку АЦП присваивает всю информацию первой зоне Найквиста, результаты, полученные с помощью этого уравнения, должны быть проверены, чтобы увидеть, не превышают ли они f _SampleRate/2. Если да, то частота должна быть возвращена в первую зону Найквиста путем вычитания результата из f _SampleRate.

В таблице ниже показано, как сигналы могут быть наложены на полосу модулирующих частот и их спектральная ориентация. Хотя процесс выборки (наложения) отличается от микширования (умножения), результаты очень похожи, но имеют периодичность в зависимости от частоты дискретизации. Другое явление — это обращение спектра. Как и в миксерах, некоторые продукты меняются местами в процессе выборки, например, реверсирование верхней и нижней боковой полосы. В таблице ниже также показано, какие случаи вызывают инверсию спектра.

Входной сигнал	Диапазон частот	Сдвиг частоты	Spectral Sense
1 ^st Найквист Зона	постоянного тока — FS / 2	Ввод	Обычный
2 ^nd Найквист Зона	ФС / 2 — ФС	Вход FS	Обратное
3 ^rd Найквист Зона	ФС — 3 ФС / 2	Вход — FS	Обычный
4 ^-й Найквист Зона	3FS / 2 — 2FS	2FS — ввод	Перевернутое
5 ^-й Найквист Зона	2FS — 5FS / 2	Вход — 2FS	Обычный

Планирование частот и размещение ответвлений

Одна из самых больших проблем при проектировании радиоархитектуры — это размещение промежуточной частоты.Проблема усугубляется тем, что усилители возбуждения и АЦП имеют тенденцию генерировать нежелательные гармоники, которые проявляются в цифровом спектре преобразования данных в виде ложных сигналов. Независимо от того, является ли приложение широкополосным или нет, тщательный выбор частот дискретизации и частот ПЧ может разместить эти паразиты в местах, которые сделают их безвредными при использовании с цифровыми тюнерами / фильтрами, такими как AD6620, которые могут выбрать интересующий сигнал и отклонить все другие. Все это хорошо, потому что при тщательном выборе диапазона входных частот и частоты дискретизации, усилитель возбуждения и гармоники АЦП фактически могут быть выведены за пределы полосы частот.Передискретизация только упрощает дело, предоставляя больше спектра для безвредных гармоник.

Например, если определено, что вторая и третья гармоники являются особенно высокими, путем тщательного выбора места падения аналогового сигнала относительно частоты дискретизации, эти вторая и третья гармоники могут быть размещены вне полосы. Для случая скорости кодирования, равной 40,96 MSPS, и ширины полосы сигнала 5,12 МГц, размещение ПЧ между 5,12 и 10,24 МГц помещает вторую и третью гармоники вне полосы, как показано в таблице ниже.Хотя этот пример очень прост, его можно адаптировать для множества различных приложений.

Как видно, вторая и третья гармоники выходят за пределы интересующей полосы и не создают помех для основных составляющих. Следует отметить, что секунды и трети действительно перекрываются друг с другом, а псевдоним третей вокруг FS / 2. В табличной форме это выглядит, как показано ниже.

Скорость кодирования:	40.96 MSPS
Фундаментальный	5,12 — 10,24 МГц
Вторая гармоника:	10,24 — 20,48 МГц
Третья гармоника:	15,36 — 10,24 МГц

Другой пример частотного планирования можно найти в недостаточной выборке.Если диапазон аналогового входного сигнала составляет от DC до FS / 2, тогда комбинация усилителя и фильтра должна соответствовать требуемым характеристикам. Однако, если сигнал помещается в третью зону Найквиста (от FS до 3FS / 2), от усилителя больше не требуется соответствие гармоническим характеристикам, требуемым спецификациями системы, поскольку все гармоники будут выходить за пределы полосы пропускания фильтра. Например, диапазон фильтра полосы пропускания может быть от FS до 3FS / 2. Вторая гармоника будет охватывать от 2FS до 3FS, что выходит далеко за пределы диапазона фильтров полосы пропускания.Затем нагрузка перекладывается на конструкцию фильтра при условии, что АЦП соответствует основным требованиям на интересующей частоте. Во многих приложениях это выгодный компромисс, поскольку многие сложные фильтры могут быть легко реализованы с использованием как методов ПАВ, так и LCR на этих относительно высоких частотах ПЧ. Хотя этот метод снижает гармонические характеристики усилителя возбуждения, нельзя жертвовать характеристиками интермодуляции.

Использование этой техники для вывода гармоник за пределы интересующей зоны Найквиста позволяет легко фильтровать их, как показано выше.Однако, если АЦП по-прежнему генерирует собственные гармоники, можно использовать ранее описанный метод для тщательного выбора частоты дискретизации и аналоговой частоты, чтобы гармоники попадали в неиспользуемые участки полосы пропускания и подвергались цифровой фильтрации.

Ожидаемые характеристики приемника

Имея в виду эти мысли, как можно определить производительность радио и какие компромиссы можно сделать. Как показано ниже, можно использовать многие методы традиционной радиотехники. На протяжении всего обсуждения, приведенного ниже, существует некоторая разница между многоканальным и одноканальным радио.На них будет указано. Имейте в виду, что это обсуждение не завершено, и многие области остались незатронутыми. Дополнительную информацию по этому вопросу можно найти в одной из ссылок в конце этой статьи. Кроме того, это обсуждение касается только данных, доставленных в DSP. Многие приемники используют собственные схемы для дальнейшего повышения производительности за счет дополнительного подавления шума и устранения гетеродина.

Для дальнейшего обсуждения типовая конструкция приемника показана выше.Рассматриваемое в этом разделе обсуждение начинается с антенны и заканчивается цифровым тюнером / фильтром в конце. За этой точкой находится цифровой процессор, который выходит за рамки данного обсуждения.

Анализ начинается с нескольких предположений. Во-первых, предполагается, что приемник ограничен шумом. Это значит, что внутри полосы отсутствуют шпоры, которые в противном случае ограничили бы производительность. Разумно предположить, что выбор гетеродина и ПЧ может быть таким, что это правда. Кроме того, позже будет показано, что паразиты, генерируемые внутри АЦП, обычно не являются проблемой, поскольку их часто можно устранить с помощью дизеринга или разумного использования передискретизации и размещения сигнала.В некоторых случаях это может быть нереалистичным предположением, но они предоставляют отправную точку, с которой можно определить пределы производительности.

Второе предположение состоит в том, что полоса пропускания входного каскада приемника — это наша полоса Найквиста. Хотя наша фактическая выделенная полоса пропускания может составлять только 5 МГц, использование полосы Найквиста упростит вычисления на этом пути. Следовательно, частота дискретизации 65 MSPS даст полосу Найквиста 32,5 МГц.

Доступная мощность шума

Чтобы начать анализ, необходимо учесть шум на порте антенны.Поскольку правильно подобранная антенна, очевидно, является резистивной, для определения напряжения шума на согласованных входных клеммах можно использовать следующее уравнение.

Доступная мощность от источника, в данном случае антенны:

Что упрощается при замене предыдущего уравнения на:

Таким образом, в действительности доступная мощность шума от источника в этом случае не зависит от импеданса для ненулевых и конечных значений сопротивления.

Это важно, потому что это точка отсчета, с которой будет сравниваться наш приемник. Когда речь идет о коэффициенте шума сцены, часто говорят, что она показывает на «x» дБ выше шума «kT». Это источник этого выражения.

При прохождении каждого каскада через приемник этот шум уменьшается за счет коэффициента шума каскада, как описано ниже. Наконец, когда канал настраивается и фильтруется, большая часть шума удаляется, остается только то, что находится внутри интересующего канала.

Рисунок каскадного шума

Коэффициент шума — это показатель качества, используемый для описания того, сколько шума добавляется к сигналу в цепи приема радиостанции. Обычно он указывается в дБ, хотя при вычислении коэффициента шума используется числовое отношение (не логарифмическое). Не логарифмический коэффициент называется шумовым фактором и обычно обозначается как F , где он определяется, как показано ниже.

После того, как каждому каскаду в радиостанции назначен коэффициент шума, его можно использовать для определения их каскадных характеристик.Общий коэффициент шума, относящийся к входному порту, можно вычислить следующим образом.

Вышеупомянутые F — это коэффициенты шума для каждого из последовательных каскадов, а G — коэффициенты усиления каскадов. На данный момент ни коэффициент шума, ни коэффициенты усиления не представлены в логарифмической форме. Когда применяется это уравнение, все составляющие шума отражаются на порте антенны. Таким образом, доступный шум из предыдущего раздела может быть снижен непосредственно с помощью коэффициента шума.

Например, если доступный шум составляет -100 дБмВт, вычисленный коэффициент шума составляет 10 дБ, а коэффициент преобразования равен 20 дБ, то общий эквивалентный шум на выходе составляет -70 дБмВт.

При применении этих уравнений следует учитывать несколько моментов. Во-первых, пассивные компоненты предполагают, что коэффициент шума равен их потерям. Во-вторых, пассивные компоненты в серии можно суммировать до применения уравнения. Например, если два фильтра нижних частот включены последовательно, каждый с вносимыми потерями 3 дБ, они могут быть объединены, и потери одного элемента предположительно равны 6 дБ.Наконец, смесители часто не имеют коэффициента шума, установленного для них производителем. Если не указано иное, можно использовать вносимые потери, однако, если коэффициент шума поставляется вместе с устройством, его следует использовать.

Коэффициенты шума и АЦП

Хотя коэффициент шума можно назначить АЦП, часто проще работать с АЦП по-другому. АЦП — это устройства напряжения, тогда как коэффициент шума на самом деле является проблемой мощности шума. Поэтому часто бывает проще обработать аналоговые части АЦП с точки зрения коэффициента шума, а затем преобразовать в напряжение на АЦП.Затем преобразуйте шум АЦП во входное опорное напряжение. Затем шум аналогового сигнала и АЦП можно суммировать на входе АЦП, чтобы найти общий эффективный шум.

Для этого приложения был выбран 12-битный аналого-цифровой преобразователь AD9042 или AD6640. Эти продукты могут производить выборку до 65 MSPS, скорость, подходящую для оцифровки AMPS всего диапазона и способную работать с опорной тактовой частотой GSM 5x. Этого более чем достаточно для приложений AMPS, GSM и CDMA. В таблице указано, что типичное отношение сигнал / шум составляет 68 дБ.Следовательно, следующим шагом является расчет снижения шума в приемнике из-за шумов АЦП. Опять же, самый простой метод — это преобразовать как SNR, так и шум приемника в среднеквадратичное значение. вольт, а затем суммируйте их для получения общего среднеквадратичного значения. шум. Если АЦП имеет входной диапазон от пика до пика 2 В:

Это напряжение отражает все шумы АЦП, тепловые и квантовые. Полный диапазон АЦП составляет 0,707 В (действующее значение).

После вычисления эквивалентного входного шума АЦП следующее вычисление — это шум, генерируемый самим приемником.Поскольку мы предполагаем, что полоса пропускания приемника равна полосе пропускания Найквиста, частота дискретизации 65 MSPS дает полосу пропускания 32,5 МГц. Исходя из имеющихся уравнений мощности шума, мощность шума от аналогового входного каскада составляет 134,55E15 Вт или -98,7 дБмВт. Это шум, присутствующий в антенне, который должен быть увеличен коэффициентом преобразования и уменьшен коэффициентом шума. Если усиление преобразования составляет 25 дБ, а коэффициент шума составляет 5 дБ, то шум, представленный входной цепи АЦП, составляет:

на 50 Ом (134.9e-12 Вт). Поскольку входной импеданс АЦП составляет около 1000 Ом, мы должны либо согласовать с ним стандартное сопротивление ПЧ 50 Ом, либо уменьшить сопротивление АЦП. Разумный компромисс — уменьшить диапазон до 200 Ом с помощью параллельного резистора, а затем использовать трансформатор 1: 4 для согласования с остальными. Трансформатор также служит для преобразования несимметричного входа в сбалансированный сигнал, необходимого для АЦП, а также для обеспечения некоторого усиления по напряжению. Поскольку имеется скачок импеданса 1: 4, в этом процессе также увеличивается коэффициент усиления по напряжению, равный 2.

Из этого уравнения, наше напряжение, возведенное в квадрат на 50 Ом, составляет 6,745e-9 или на 200 Ом, 26,98e-9.

Теперь, когда мы знаем шум от АЦП и РЧ-интерфейса, общий шум в системе можно вычислить как квадратный корень из суммы квадратов. Таким образом, полное напряжение составляет 325,9 мкВ. Теперь это общий шум, присутствующий в АЦП из-за шума приемника и шума АЦП, включая шум квантования.

Коэффициент преобразования и чувствительность

Как это шумовое напряжение влияет на общую производительность АЦП? Предположим, что в полосе пропускания приемника присутствует только один радиочастотный сигнал.Тогда отношение сигнал / шум будет:

Поскольку это приложение с передискретизацией и фактическая ширина полосы сигнала намного меньше, чем частота дискретизации, шум будет значительно уменьшен после цифровой фильтрации. Поскольку полоса пропускания входного каскада такая же, как у нашего АЦП, и шум АЦП, и шум ВЧ / ПЧ будут улучшаться с той же скоростью. Поскольку многие стандарты связи поддерживают узкую полосу пропускания канала, мы примем канал 30 кГц. Таким образом, мы получаем 33,4 дБ от технологического усиления.Следовательно, наше исходное SNR 66,7 дБ теперь составляет 100,1 дБ. Помните, что отношение сигнал / шум увеличилось из-за фильтрации лишнего шума, что является источником усиления технологического процесса.

Рисунок 13 Восемь равных носителей мощности

Если это радиосвязь с несколькими несущими, динамический диапазон АЦП должен использоваться совместно с другими РЧ несущими. Например, если имеется восемь несущих одинаковой мощности, каждый сигнал не должен превышать 1/8 общего диапазона, если рассматриваются сигналы от пика к пику. Однако, поскольку обычно сигналы в приемнике не совпадают по фазе (поскольку пульты дистанционного управления не синхронизированы по фазе), сигналы будут синхронизироваться редко, если вообще когда-либо.Следовательно, требуется намного меньше требуемых 18 дБ. Поскольку на самом деле не более 2 сигналов могут быть настроены одновременно, и поскольку они являются модулированными сигналами, только 3 дБ будут зарезервированы для целей запаса. В том случае, если сигналы действительно выравниваются и приводят к ограничению преобразователя, это произойдет всего за небольшую долю секунды, прежде чем условие перегрузки будет устранено. В случае радиосвязи с одной несущей не требуется места для головы.

В зависимости от схемы модуляции для адекватной демодуляции требуется минимальное отношение C / N.Если схема цифровая, то следует учитывать коэффициент ошибок по битам (BER), как показано ниже. Предполагая, что требуется минимальное отношение C / N 10 дБ, наш уровень входного сигнала не может быть настолько малым, что оставшееся отношение сигнал / шум будет меньше 10 дБ. Таким образом, наш уровень сигнала может упасть на 90,1 дБ от текущего уровня. Поскольку полный диапазон АЦП составляет +4 дБм (200 Ом), уровень сигнала на входе АЦП составляет –86,1 дБмВт. Если бы в тракте РЧ / ПЧ было усиление 25 дБ, то чувствительность приемника на антенне была бы –86,1 минус 25 дБ или –111.1 дБм. Если требуется большая чувствительность, то на ступенях ВЧ / ПЧ можно использовать большее усиление. Однако коэффициент шума не зависит от усиления, и увеличение коэффициента усиления также может отрицательно сказаться на шумовых характеристиках дополнительных каскадов усиления.

Рис.14.Частота ошибок по битам в зависимости от отношения сигнал / шум

АЦП, паразитные сигналы и дизеринг

Пример с ограничением шума недостаточно полно демонстрирует истинные ограничения приемника. Другие ограничения, такие как SFDR, более жесткие, чем SNR и шум.Предположим, что аналого-цифровой преобразователь имеет спецификацию SFDR -80 дБFS или -76 дБм (полная шкала = + 4 дБм). Также предположим, что допустимое отношение несущей к источнику помех, C / I (отличное от C / N) составляет 18 дБ. Это означает, что минимальный уровень сигнала составляет -62 дБ полной шкалы (-80 плюс 18) или -58 дБм. На антенне это -83 дБмВт. Следовательно, как можно видеть, SFDR (однотональный или многотональный) ограничит производительность приемника задолго до того, как будет достигнуто фактическое ограничение шума.

Однако метод, известный как дизеринг, может значительно улучшить SFDR.Как показано в примечании к применению AN410 компании Analog Devices, добавление внеполосного шума может значительно улучшить SFDR до минимального уровня шума. Хотя величина дизеринга зависит от преобразователя, этот метод применим ко всем АЦП, пока статический DNL является ограничением производительности, а не проблемами переменного тока, такими как скорость нарастания. В AD9042, описанном в примечании к применению, добавленный шум составляет всего -32,5 дБмВт или 21 код среднеквадратичного значения. Как показано ниже, графики до и после дизеринга дают представление о потенциале улучшения.Проще говоря, дизеринг работает, беря когерентные паразитные сигналы, генерируемые АЦП, и рандомизирует их. Поскольку энергия паразитов должна быть сохранена, дизеринг просто заставляет их проявляться как дополнительный шум в нижней части преобразователя. Это можно наблюдать на графиках до и после дизеринга как небольшое увеличение среднего минимального уровня шума преобразователя. Таким образом, компромисс, достигнутый за счет использования внеполосного дизеринга, состоит в том, что буквально все генерируемые внутри паразитные сигналы могут быть удалены, однако есть небольшой удар в общем SNR преобразователя, который на практике составляет менее 1 дБ. потери чувствительности по сравнению с примером с ограничением шума и намного лучше, чем пример с ограничением SFDR, показанный ранее.

АЦП без дизеринга

АЦП с дизерингом

Два важных момента о дизеринге перед закрытием темы. Во-первых, в приемнике с несколькими несущими нельзя ожидать, что ни один из каналов будет коррелирован. Если это так, то часто множественные сигналы будут служить самосмешиванием для канала приемника. Хотя в некоторых случаях это верно, иногда потребуется добавить дополнительный дизеринг для заполнения при слабой силе сигнала.

Во-вторых, шума, вносимого только аналоговым входным каскадом, недостаточно для дизеринга АЦП.В приведенном выше примере было добавлено 32,5 дБм дизеринга, чтобы обеспечить оптимальное улучшение SFDR. Для сравнения, аналоговый входной каскад обеспечивает мощность шума только –68 дБм, что далеко от того, что необходимо для обеспечения оптимальной производительности.

Точка пересечения третьего порядка

Помимо преобразователя SFDR, РЧ-часть способствует ложным характеристикам приемника. Эти шпоры не подвержены влиянию таких методов, как дизеринг, и их необходимо устранять, чтобы предотвратить нарушение работы приемника.Перехват третьего порядка является важной мерой, поскольку уровни сигнала в цепи приема увеличиваются в зависимости от конструкции приемника.

Чтобы понять, какой уровень производительности требуется от широкополосных радиочастотных компонентов, мы рассмотрим спецификацию GSM, возможно, самого требовательного из приложений приемника.

Приемник GSM должен уметь восстанавливать сигнал с уровнем мощности от -13 до -104 дБм. Предположим также, что полная шкала АЦП составляет 0 дБмВт, а потери через фильтры приемника и смесители составляют 12 дБ.Кроме того, поскольку несколько сигналов должны обрабатываться одновременно, не следует использовать АРУ. Это снизит чувствительность к радиочастоте и приведет к потере более слабого сигнала. Используя эту информацию, рассчитывается усиление RF / IF, равное 25 дБ (0 = -13-6-6 + x).

Рекомендации по перехвату входных данных 3-го порядка

Требуемое усиление 25 дБ распределяется, как показано. Хотя полная система будет иметь дополнительные компоненты, это послужит нашему обсуждению. Исходя из этого, при полномасштабном сигнале GSM на уровне -13 дБм, на входе АЦП будет 0 дБм.Однако при минимальном сигнале GSM -104 дБм, сигнал на АЦП будет -91 дБм. С этого момента приведенное выше обсуждение может быть использовано для определения пригодности АЦП с точки зрения шумовых характеристик и характеристик паразитных помех.

Теперь, с этими сигналами и необходимыми коэффициентами усиления системы, теперь можно проверить характеристики усилителя и смесителя при возбуждении полномасштабным сигналом -13 дБм. Решение для продуктов 3-го порядка по натурному сигналу:

Предполагая, что общие паразитные характеристики должны быть больше 100 дБ, решение этого уравнения для входного усилителя показывает, что входной усилитель третьего порядка с IIP> +37 дБм.В смесителе уровень сигнала был увеличен на 10 дБ, а новый уровень сигнала составляет -3 дБмВт. Однако, поскольку микшеры указаны на их выходе, этот уровень снижается как минимум на 6 дБ до –9 дБм. Следовательно, для смесителя OIP> +41 дБм. Так как на их выходе указаны смесители. На последнем этапе усиления сигнал будет ослаблен до -9 дБмВт (как на выходе смесителя). Для усилителя ПЧ IIP> +41 дБм. Если эти характеристики соблюдены, то производительность должна быть равна

Джиттер часов АЦП

Одной из динамических характеристик, которая жизненно важна для хорошей работы радиосвязи, является джиттер тактовой частоты АЦП.Несмотря на то, что низкий джиттер важен для превосходных характеристик основной полосы частот, его влияние усиливается при дискретизации сигналов с более высокой частотой (более высокая скорость нарастания), например, в приложениях с недостаточной дискретизацией. Общий эффект плохой спецификации джиттера — уменьшение отношения сигнал / шум при увеличении входных частот. Термины апертурный джиттер и апертурная неопределенность часто меняются местами в тексте. В этом приложении они имеют то же значение. Неопределенность апертуры — это изменение от образца к образцу в процессе кодирования.Неопределенность апертуры имеет три остаточных эффекта: первый — это увеличение системного шума, второй — неопределенность фактической фазы самого дискретизированного сигнала и третий — межсимвольные помехи. При отборе ПЧ для достижения требуемых шумовых характеристик требуется погрешность апертуры менее 1 пс. С точки зрения фазовой точности и межсимвольной интерференции влияние апертурной неопределенности невелико. В худшем случае 1 пс среднеквадратичное значение. при ПЧ 250 МГц погрешность фазы равна 0.09 градусов среднеквадр. Это вполне приемлемо даже для требовательных спецификаций, таких как GSM. Поэтому основное внимание в этом анализе будет уделено общему вкладу шума из-за апертурной неопределенности.

В синусоиде максимальная скорость нарастания приходится на переход через нуль. В этот момент скорость нарастания определяется первой производной синусоидальной функции, оцененной при t = 0:

оценивается при t = 0, функция косинуса оценивается как 1, а уравнение упрощается до:

Единицами скорости нарастания являются вольты в секунду, они показывают, насколько быстро сигнал проходит через нулевой переход входного сигнала.В системе дискретизации опорные часы используются для дискретизации входного сигнала. Если тактовые импульсы выборки имеют апертурную погрешность, генерируется напряжение ошибки. Это напряжение ошибки может быть определено умножением входной скорости нарастания на «джиттер».

Анализируя единицы, можно увидеть, что это дает единицу вольт. Обычно неопределенность апертуры выражается в среднеквадратичных секундах. и, следовательно, напряжение ошибки будет в среднеквадратичном вольт. Дополнительный анализ этого уравнения показывает, что по мере увеличения частоты аналогового входа среднеквадратичное значение.напряжение ошибки также увеличивается прямо пропорционально неопределенности апертуры.

В преобразователях выборки ПЧ чистота тактовой частоты имеет огромное значение. Как и в процессе микширования, входной сигнал умножается на гетеродин или, в данном случае, тактовую частоту дискретизации. Поскольку умножение во времени является сверткой в частотной области, спектр тактовой частоты дискретизации свертывается со спектром входного сигнала. Поскольку неопределенность апертуры — это широкополосный шум на тактовом сигнале, он также проявляется как широкополосный шум в дискретизированном спектре.А поскольку АЦП — это система дискретизации, спектр является периодическим и повторяется в зависимости от частоты дискретизации. Таким образом, этот широкополосный шум снижает минимальный уровень шума АЦП. Теоретическое соотношение сигнал / шум для АЦП, ограниченное неопределенностью апертуры, определяется следующим уравнением.

Если это уравнение оценивается для аналогового входа с частотой 201 МГц и 0,7 пс (среднеквадратичное значение). «Джиттер», теоретическое SNR ограничено 61 дБ. Следует отметить, что это то же самое требование, которое требовалось бы, если бы использовалась другая ступень смесителя.Следовательно, системы, которые требуют очень высокого динамического диапазона и очень высоких аналоговых входных частот, также требуют источника кодирования с очень низким «джиттером». При использовании стандартных модулей тактовых генераторов TTL / CMOS, 0,7 пс среднеквадратичное значение. был проверен как для АЦП, так и для генератора. Лучших показателей можно достичь с помощью модулей с низким уровнем шума.

При рассмотрении общей производительности системы можно использовать более обобщенное уравнение. Это уравнение основано на предыдущем уравнении, но включает эффекты теплового шума и дифференциальной нелинейности.

Хотя это простое уравнение, оно дает хорошее представление о шумовых характеристиках, которые можно ожидать от преобразователя данных.

Фазовый шум

Хотя фазовый шум синтезатора похож на джиттер на тактовой частоте кодирования, он немного по-другому влияет на приемник, но, в конце концов, эффекты очень похожи. Основное различие между джиттером и фазовым шумом заключается в том, что джиттер — это широкополосная проблема с однородной плотностью вокруг тактовой частоты дискретизации, а фазовый шум — это неравномерное распределение вокруг гетеродина, которое обычно становится лучше по мере удаления от тона.Как и в случае с джиттером, чем меньше фазового шума, тем лучше.

Поскольку гетеродин смешивается с входящим сигналом, шум гетеродина будет влиять на полезный сигнал. Процесс смесителя в частотной области — это свертка (процесс смесителя во временной области — это умножение). В результате смешения фазовый шум от гетеродина заставляет энергию из соседних (и активных) каналов интегрировать в желаемый канал как увеличенный минимальный уровень шума. Это называется взаимным перемешиванием. Чтобы определить количество шума в неиспользуемом канале, когда альтернативный канал занят сигналом полной мощности, предлагается следующий анализ.

Опять же, поскольку GSM — сложная спецификация, это будет примером. В этом случае верно следующее уравнение.

, где шум — это шум в желаемом канале, вызванный фазовым шумом, x (f) — фазовый шум, выраженный в формате, отличном от логарифма, а p (f) — это функция спектральной плотности функции GMSK. В этом примере предположим, что мощность сигнала GSM составляет -13 дБмВт. Также предположим, что гетеродин имеет постоянный по частоте фазовый шум (чаще всего фазовый шум уменьшается при смещении несущей).При этих предположениях, когда это уравнение интегрируется по ширине полосы канала, выпадает простое уравнение. Поскольку предполагалось, что x (f) постоянный (PN — фазовый шум), а интегральная мощность полномасштабного канала GSM составляет -13 дБмВт, уравнение упрощается до:

Так как цель состоит в том, чтобы требовать, чтобы фазовый шум был ниже теплового шума. Предполагая, что шум на смесителе такой же, как на антенне, можно использовать -121 дБм (шум в 200 кГц на антенне — P _a = kTB ).Таким образом, фазовый шум гетеродина должен быть ниже -108 дБмВт при смещении 200 кГц.

Почему движение рук перед теле- или радиоантенной влияет на прием?

Дэвид Хизелл, доцент кафедры наук о Земле и атмосфере Корнельского университета, объясняет.

Это явление может быть особенно неприятным, когда для поддержания хорошего приема необходимо, чтобы слушатель или зритель оставались в неудобном положении. Это не ограничивается руками, но может затрагивать все тело, а также другие предметы, расположенные поблизости. Фактически, даже пролетающий над головой самолет может повлиять на прием радио- и телесигналов, создавая своего рода грубые помехи. В общем, расположение и свойства материалов в непосредственной близости от антенны влияют на ее характеристики, и это свойство легко заметить, когда эти материалы находятся в движении.

Антенны сделаны из электрических проводников и, хотя они бывают самых разных конфигураций, часто имеют форму прямых металлических проводов или катушек. Примерами являются «кроличьи уши» и проволочные петли на задней панели телевизоров (по крайней мере, до появления кабеля), которые представляют собой антенны, настроенные для работы в диапазонах VHF и UHF соответственно. Когда передатчик возбуждает колебательный ток в антенне, излучается электромагнитное излучение, которое переносит мощность и сигналы от источника.Все, что может проводить ток, может действовать как антенна, хотя инженеры работают над проектированием антенн, которые, помимо прочего, оптимизированы по эффективности, направленности и управляемости. Взгляд на городской пейзаж показывает, что инженеры-проектировщики разработали широкий спектр решений для различных областей применения.

Когда антенна улавливает электромагнитное излучение, испускаемое где-то еще, в ней индуцируется электрический ток. Этот ток может быть отведен и усилен радио- или телевизионным приемником, что позволяет передавать энергию и информацию на большие расстояния без прямого электрического подключения.Кроме того, ток в приемной антенне сам по себе является вторичным источником излучения. Не вся полученная мощность передается на приемное устройство, а оставшаяся часть в основном излучается обратно в космос. Если к антенне не подключено приемное устройство, большая часть перехваченной мощности будет повторно излучаться, а небольшая часть рассеивается в виде тепла. Весь этот процесс приема и излучения называется «рассеянием», и детали зависят от размера и формы антенны, а также длины волны излучения сложным образом, что выходит за рамки данного обсуждения.

Токи также индуцируются в тканях (а также в любых других проводящих или диэлектрических материалах) при воздействии электромагнитных полей. Хотя руки и тело не являются особенно эффективными излучателями, они будут рассеивать часть падающей на них мощности, в зависимости от задействованной радиочастоты. Вернувшись в приемник, рассеянный сигнал будет конкурировать с исходным сигналом от передатчика, комбинируясь либо конструктивно, либо деструктивно в зависимости от относительных расстояний до двух источников сигнала.В то же время близость рассеивателя к антенне может влиять на то, насколько эффективно он передает мощность на приемник. Таким образом, прием может быть улучшен или ухудшен, в зависимости от положения тела.

Эффект, о котором спрашивал читатель, будет наиболее заметен, когда руки находятся близко к приемнику, хотя очень хорошие рассеиватели (например, самолет) могут оказывать влияние на больших расстояниях. Это будет наиболее очевидно, когда размер рассеивателя будет хотя бы сравним с длиной волны сигнала.Например, движения рук могут влиять на прием сигналов VHF и UHF, но они мало влияют на радиосигналы AM, например, с длиной волны в сотни метров. Наконец, стоит отметить, что все тела около антенны будут рассеивать излучение, которое уже было рассеяно другими. Связь между всеми задействованными телами может быстро стать очень сложной, и если присутствует много тел, влияние любого из них вряд ли будет очень большим.

Антенные инженеры используют этот эффект связи, размещая паразитные антенные элементы в непосредственной близости от части антенны, известной как ведомый элемент, которая прикреплена к прибору.Например, все элементы дипольного провода в телевизионной антенне, кроме одного, являются паразитными. Они предназначены для рассеивания падающего излучения таким образом, чтобы все вклады конструктивно складывались в месте расположения управляемого элемента, когда антенна направлена в сторону передатчика. Конструкция таких антенн все еще может быть в значительной степени делом проб и ошибок, когда техники перемещают элементы с места на место в лаборатории, как вы можете двигать собственным телом, чтобы добиться слабого сигнала.

Ответ первоначально опубликован 10 ноября 2003 г.

Что такое передатчики, приемники и антенны на двусторонней радиосвязи?

Передатчики, приемники и антенны играют важную роль в функционировании двусторонних радиостанций, включая базовые, мобильные и портативные. Радио упоминается как приемопередатчик , так как он и отправляет, и принимает сообщения.

Что такое двусторонний радиопередатчик?

Передатчик отвечает за генерацию радиосигнала или волны.Генератор — это компонент передатчика, которому поручено генерировать частоту. Затем умножители частоты начинают работать, увеличивая частоту до конечного результата. Усилители мощности используются для увеличения мощности сигнала, чтобы соответствующая выходная мощность достигала антенны.

Выходная частота называется несущей или непрерывной волной (CW). Частота несущей может изменяться в зависимости от амплитуды несущей или фазовой модуляции. Амплитуда (AM) и частотная модуляция (FM) различаются по-разному, но, в первую очередь, FM-модуляция с меньшей вероятностью столкнется с помехами от радиочастотного шума.

Что такое двусторонний радиоприемник?

Думайте о приемнике как о полярной противоположности передатчика. Приемнику поручено принять модулированную несущую, обработать ее и отправить на станцию детектора. Оттуда сигнал модуляции, создаваемый несущей, удаляется, и восстанавливается исходная информация.

Большинство радиосистем предназначены для работы с AM или FM. Микрофон используется для ввода информации, а громкоговоритель используется для вывода приемника.По большей части сигналы обычно представляют собой аналоговые сигналы.

Двоичные сигналы используются для передачи данных, и в простейшей форме это происходит с использованием частотной манипуляции (FSK). Большинство существующих сегодня систем полагаются на более сложные схемы передачи данных для максимальной эффективности.

Большинство цифровых сигналов практически невозможно распознать. Это потому, что мы живем в аналоговом мире со звуковыми частотами. Единственным исключением является использование кода Морзе, который использует систему единиц и нулей для передачи сообщений.Если вы хорошо владеете азбукой Морзе, вы знаете, как перевести тире и точки, чтобы они соответствовали буквам и цифрам. При использовании цифрового радио цифро-аналоговый преобразователь необходим для связи с другими людьми.

Коммуникационные приемники почти всегда имеют «схемы шумоподавления», которые отключают выход при отсутствии сигнала. Это предотвращает появление непрерывного шума через динамик. Когда правильно закодированный сигнал обнаружен, он позволяет ему пройти. Две распространенные схемы шумоподавления включают систему шумоподавления с непрерывным цифровым кодированием (CDCSS) и систему шумоподавления с непрерывным тональным кодированием (CTCSS).

А как насчет антенн двусторонней радиосвязи?

Антенна играет важную роль в этом процессе, она берет радиопередатчик и отправляет его в космос, чтобы приемник мог улавливать энергию. Каналы с более низкой частотой требуют большей антенны для лучшей связи. В большинстве случаев, чем выше антенна от земли, тем больший радиосигнал и общее покрытие она обеспечивает.

Диполь — важный компонент антенны, который включает в себя проволоку или жесткий металлический стержень.Длина диполя основана на 1/2 длины волны несущей частоты. Пример, предоставленный FCC, гласит: «Таким образом, несущая 300 МГц с длиной волны 1 метр должна будет использовать диполь длиной 1⁄2 метра. Точно так же диполь для несущей 900 МГц, длина волны которой составляет 1/3 метра, будет иметь длину 1/6 метра ».

Антенны, расположенные вертикально к поверхности земли, излучают вертикальную поляризацию. Антенны, расположенные горизонтально по отношению к электрическому полю земли, классифицируются как горизонтальная поляризация.Большинство мобильных систем полагаются на вертикальную поляризацию.

Передатчик, приемник и антенна играют жизненно важную роль в функционировании двусторонней радиосвязи. Без него вся система не может работать должным образом.

Радиоприемник e-POP на CASSIOPE

Обзор

Цель этого раздела — изложить функциональные цели концепции RRI. Его конструкция рассчитана на динамический диапазон на 120 дБ выше входного порога 0,3 мкВ среднеквадратичного значения. Этот общий диапазон достигается за счет трех настроек усиления, каждая из которых предлагает динамический диапазон 72 дБ, перекрывающийся с другими.Полномасштабная входная чувствительность составляет 1,26, 39,8 или 355 мВ _RMS в зависимости от диапазона. Можно измерить как амплитуду, так и относительную фазу входящего электрического поля. После соответствующего усиления и фильтрации нижних частот для сглаживания сигналы оцифровываются, а затем обрабатываются цифровым понижающим преобразователем и децимирующим фильтром нижних частот. Полоса пропускания приемника около 10 кГц и 30 кГц программируется в каждом из четырех каналов приемника. Полученные цифровые данные имеют временную метку с точностью лучше, чем ± 8 мкс.

На рис. 1 показан вид + x космического корабля CASSIOPE с четырьмя развернутыми монополями RRI.

Рис.1

Монопольные антенны RRI на космическом корабле CASSIOPE

На рисунке 2 показаны функциональные блоки, составляющие систему RRI. Система имеет четыре идентичных канала обработки сигналов, два из которых показаны. Каждый канал привязан к одной несимметричной антенне. Однако с помощью программируемого реле противоположные монополи можно настроить в дифференциальный режим работы.Кроме того, имеется функция источника питания, обеспечивающая необходимую фильтрацию напряжения, тока и электромагнитных помех для электронных компонентов, а также функцию цифровых часов, необходимую для синхронной цифровой электроники. В нижеследующем описании RRI рассматривается как система, состоящая из трех физически отдельных блоков: антенн, предварительных усилителей и модуля цифрового радиоприемника. Эти три отдельных функциональных блока обозначаются тремя цветами фона.

Фиг.2

Функциональная блок-схема верхнего уровня двух из четырех каналов RRI

Монопольные антенны, опоры и корпус предусилителя

Монопольные антенны обнаруживают электрическое поле электромагнитных волн на космическом корабле CASSIOPE. Каждая антенна не предназначена для извлечения электромагнитной энергии подобно тому, как сопротивление антенны согласовано с входом классического радиоприемника; скорее, антенна действует как высокоомный датчик напряжения волновой среды.В этой пассивной антенной конструкции цель состоит в том, чтобы связать напряжение, возникающее на антенных выводах, непосредственно с амплитудой волнового электрического поля в окружающей среде.

Монополи представляют собой складные выдвижные элементы из BeCu, образующие трубчатую конструкцию диаметром 1,2 см и длиной 3 м при освобождении. Перед запуском эти антенны сворачиваются в изолирующие контейнеры Delrin ^®, которые являются частью антенного узла. Когда от блока обработки данных космического корабля принимается электрический сигнал, открывается удерживающая дверца, и накопленная в антенне механическая энергия раскрывает элементы BeCu на всю их длину.Трубчатые антенны представляют собой 3-метровые монополи «STEM Jib», производимые Astro Aerospace, и имеют значительное летное наследие. Для ссылки на дальнейшее обсуждение, монополь вверху справа на рис. 1 — нет. 1, а нет. 2 находится внизу слева. Монополь 3 находится вверху слева.

На рис. 3 показаны основные характеристики трубчатых монополей BeCu по сравнению с их корпусами развертывания Delrin ^®, опорными кронштейнами и корпусом PA. Такая конструкция реализует цель приближения внутренних концов трубок как можно ближе к точкам, в которых они электрически соединяются с соответствующими входами PA внутри корпуса PA.

Рис.3

Алюминиевый корпус предусилителя и опоры ( желтый ) для монопольных развертывателей ( белый )

Антенны раскрываются под действием энергии накопления, сообщаемой им, когда они помещаются в развертывающие устройства Delrin ^®. Непиротехнический привод освобождает подпружиненные дверцы на передней стороне развертывателей. В свою очередь, элементы BeCu разворачиваются под своим накоплением энергии.

Виды космического корабля с монополями RRI и всеми другими развернутыми инструментальными зондами представлены на рис.1 и 4. Позиции инструмента могут быть определены относительно 3 ортогональных осей x , y и z . Ось + y параллельна направлению вдоль штанги SEI к его головке детектора, а ось + z параллельна направлению вдоль штанги MGF к модулям магнитометра. Ортогональные монополи RRI лежат в плоскости, параллельной плоскости y — z , и немного выше торца космического корабля CASSIOPE, через который проходит ось + x .CASSIOPE имеет систему управления ориентацией, которая позволяет космическому кораблю принимать одну из нескольких различных ориентаций, включая ту, которая поворачивается достаточно быстро, чтобы сохранять направление в x — y — z , зафиксированное на цели постоянной широты, долготы и высота в координатах от центра Земли. В наиболее часто используемой ориентации космического корабля ось + x лежит параллельно направлению скорости космического корабля, а ось + z сохраняет направление надира.

Рис. 4

Четыре 3-метровых монополя RRI, развернутых на поверхности + x космического корабля CASSIOPE, и другие инструменты полезной нагрузки e-POP (Yau and James 2011)

Предусилители

Ожидаемые напряжения, наведенные на антенны электрическими полями волн, лежат в широком динамическом диапазоне (не менее 120 дБ), в нижнем диапазоне требуется усиление предусилителем (PA) и, в верхнем диапазоне, ослабление . УМ также должен обеспечивать высокое входное сопротивление монопольной антенны, чтобы гарантировать, что входное напряжение предусилителя соответствует величине разомкнутой цепи.Этим требованиям соответствовала схематическая конструкция PA на рис. 5.

Рис. 5

Упрощенная схема предусилителя

Диапазон ожидаемых входных напряжений требует средств регулировки усиления PA для соответствия ожидаемой амплитуде сигнала, чтобы выходной сигнал использовал линейный динамический диапазон следующего блока цифрового преобразователя. Следовательно, PA на рис. 2 и 5 показано принятие входной команды управления усилением. Усиление устанавливается командным управлением вместе с другими программируемыми параметрами RRI, перечисленными в разд.2.7. Было решено использовать RRI с тремя настройками усиления PA примерно -11, +19 и +49 дБ, которые называются «Низкий», «Средний» и «Высокий» соответственно.

Каждая монопольная антенна STEM Jib оснащена разъемом SMA, соединяющим антенну с платой предусилителя с помощью короткого многожильного провода с изоляцией из ETFE, снабженного ответной вилкой SMA. Электрическим эталоном для монополя является конструкция космического корабля. Эта структура подключается к заземлению сигнала предусилителя посредством электрических соединений радиочастотного качества с корпусом предусилителя.Предполагаемый импеданс источника монополя в плазменной среде напоминает импеданс конденсатора на 160 пФ. Чтобы избежать значительного ослабления сигнала, входное сопротивление предусилителя должно быть значительно выше, чем полное сопротивление источника. На ВЧ входное сопротивление определяется паразитной емкостью входной цепи. Следовательно, шунтирующая емкость на входе предусилителя должна быть минимизирована.

Для защиты от разрушительных перенапряжений (устойчивое более 5 В или переходное более 2 кВ) каждый предусилитель оборудован входной схемой защиты от перенапряжения на монопольном интерфейсе.Эта защита обеспечивается управляющим диодом с малой емкостью и малой утечкой, соединенным с диодом-ограничителем переходного напряжения для защиты от электростатического разряда, и источником постоянного напряжения для фиксации сигнала. Для обеспечения как положительной, так и отрицательной полярности требуются две цепи. Приблизительно 3 пФ из общей входной емкости 11 пФ, по оценкам, связано с защитной схемой.

Входной буфер OPA656 служит интерфейсом между монополем и схемами обработки сигналов.В минимальном уровне шума всего предусилителя преобладает шум на этом каскаде входного каскада. Таким образом, минимизация источников шума первой ступени была серьезным соображением при проектировании. Один из способов минимизировать шум — заключить каждый OPA656 вместе со схемой защиты входа в собственный мини-корпус, прикрепленный к лицевым панелям корпуса предусилителя. Широкополосный (полоса измерения 150 МГц) шум, наблюдаемый на выходе предусилителя, составлял примерно 140 мВ между пиковыми значениями при настройке высокого усиления и 15 мВ между пиками при настройке среднего усиления (полоса пропускания 150 МГц, инженерная модель).При применении значений усиления, определенных выше, эти измерения коррелируют с относящимися к входу уровнями 0,5 мВпик и 1,68 мВпик соответственно, опять же в полосе пропускания 150 МГц. Эффективный уровень шума на выходе радиосигнала, в отличие от выхода предусилителя, очевидно, намного ниже из-за применения узкополосных фильтров в последующих цифровых радиосхемах.

За входным буфером OPA656 следуют два последовательно соединенных усилителя с регулируемым усилением на основе одного Analog Devices Inc AD600.AD600 был выбран потому, что он может обеспечить усиление по напряжению от 0 до 80 дБ с одним управляющим напряжением, полосой пропускания DC-35 МГц независимо от усиления, стабильной групповой задержкой, низким уровнем шума и искажений, высокой выходной мощностью и предназначен для работы до −25 ° С. Однако его низкий входной импеданс в 100 Ом в конечном итоге стал для RRI небольшим недостатком из-за необходимости обработки сигнала с частотой 10 Гц. При программировании высокого усиления любые значительные смещения постоянного тока, применяемые к AD600, могут вызвать ограничение сигнала или другие эффекты насыщения на выходе.Поэтому на входах AD600 требуются блокирующие конденсаторы постоянного тока. Входное сопротивление 100 Ом приводит к очень большим емкостям конденсаторов (например, танталовых) для обработки НЧ сигналов. Что еще хуже, конденсаторы, соединенные спиной к спине, образующие неполярные конфигурации, должны противостоять возможности переходных процессов на шине положительно или отрицательно или длительных скачков выходного сигнала, вызванных потенциальным радиационным воздействием. Было обнаружено, что помимо того, что такие конфигурации являются физически большими, они являются фактором нежелательных внутрисхемных ВЧ-колебаний и вносят вклад в дрейф отклика с температурой на низкой частоте.Решением этих проблем стало добавление буферов с единичным усилением между каскадами, схемных блоков AD8038 и AD8047, показанных на рис. 5. Высокое входное сопротивление буферов позволяет использовать диэлектрические конденсаторы BX разумного размера 0,47 мкФ, устраняя все вышеупомянутые выдает за счет немного повышенного энергопотребления и немного повышенного шума.

AD8038 и AD8047 являются коммерческими радиационно-стойкими устройствами. Помимо того, что электрические характеристики не ухудшаются, добавление этих устройств должно иметь минимальное влияние на бюджет мощности.Следовательно, указаны две разные части. По сути, AD8038 обладает всеми необходимыми качествами (низкое энергопотребление (ток покоя ≈ 1 мА), широкая полоса пропускания, низкий уровень шума и искажений), за исключением возможности управления выходом. AD8047 имеет соответствующий выходной каскад для подключения линии 50 Ом к DRRM, хотя и за счет гораздо более высокого энергопотребления (ток покоя ≈ 7 мА) и более высокого шума.

Сигналы управления усилением для усилителей с регулируемым усилением AD600 генерируются под управлением программного обеспечения DSP 12-разрядным цифро-аналоговым преобразователем (DAC) AD5327 на плате цифрового радиоприемника.Этот сигнал управления усилением подается на каждую плату предусилителя по кабелю с двойным экраном и затем фильтруется линейными ферритами и RC-цепями. Были определены три настройки усиления, которые привели к ранее упомянутому «низкому», «среднему» и «высокому» общему усилению системы. Преимущество использования ЦАП для управления усилением состоит в том, что эти значения могут быть точно настроены и откалиброваны для каждой из четырех карт.

Полоса пропускания предусилителя намеренно ограничена, чтобы внеполосные сигналы не передавались на цифровой радиоприемник, вызывая наложение оцифрованного сигнала.В сочетании три каскада блокировки по постоянному току также действуют как фильтры верхних частот третьего порядка с измеренным уровнем отсечки низких частот -3 дБ на частоте 7 Гц. Отсечка ВЧ также определяется фильтром третьего порядка, реализованным в двух каскадах переменного усиления AD600 с измеренной частотой -3 дБ, равной 16 МГц. Эта точка 3 дБ немного ниже желаемых 18 МГц, но эту уменьшенную полосу пропускания можно компенсировать при постобработке.

Модуль цифрового радиоприемника (DRRM)

В этом разделе описаны все остальные функции на рис.2, то есть функции справа от выделенных розовым цветом PA.

При разработке RRI были применены методы цифровой радиосвязи. Выходной сигнал PA передается дигитайзеру для преобразования аналогового сигнала в поток цифровых данных. Во время калибровки прибора было обнаружено, что перед дигитайзером необходима дополнительная фильтрация нижних частот сглаживания, чтобы адекватно ограничить полосу сигнала, в идеале до половины скорости дигитайзера. Указанная общая полоса пропускания сигнала составляет 18 МГц, поэтому дигитайзер должен работать с минимальной частотой дискретизации 36 МГц, для чего требуется фильтр сглаживания с полосой пропускания 18 МГц.Была выбрана несколько более высокая частота дискретизации, 40 МГц, чтобы позволить фильтру иметь возможный спад на высоких частотах. Более подробно об этой низкочастотной фильтрации сглаживания, достигаемой с помощью пятиполюсных фильтров Баттерворта, можно найти в Разделе. 3.3 ниже.

Альтернативный путь отфильтрованных данных проходит через указанный блок дифференциального сравнения. Этот блок включается, когда противоположные монополи объединяются в дипольном режиме работы. При включении дифференциальный усилитель, интегрированный с дигитайзером, принимает сигналы от двух монополей для создания аналогового дифференциального выходного сигнала, который подается в дигитайзер вместо монопольного сигнала.Реле «K1» переключает между монопольным и дипольным соединениями. При необходимости дифференцирование цифровых значений монополя может быть выполнено позже во время обработки наземных данных. Выполнение операции таким образом не приводит к потере данных отдельного монопольного сигнала, что также может представлять интерес. Выход дифференциальных блоков показан входящим в канал 1 только для удобства, чтобы упростить схему. Таким образом, напряжение монополя-1 минус напряжение монополя-2 появляется в выходном канале 1, а напряжение монополя-3 минус напряжение монополя-4 выводится в канале 3.

Оцифрованный сигнал затем смешивается или умножается с сигналом стабильного, хорошо управляемого гетеродина (LO), чтобы переместить интересующую полосу пропускания сигнала вниз в область основной полосы частот с центром на постоянном токе. Частота гетеродина программируется и изменяется согласно запрограммированному плану для текущего эксперимента. Также возможно точно запрограммировать и синхронизировать фазу гетеродина по четырем каналам. Смеситель гетеродина представляет собой устройство с комплексным числом, смешивающее сигнал с двумя синусоидальными волнами, имеющими разность фаз 90 °, обеспечивающую выход синфазного (I) и квадратурного (Q) сигнала.Эти две последовательности сигналов I и Q обрабатываются параллельно во всей остальной системе.

Смешанный сигнал затем фильтруется блоком прореживающего фильтра нижних частот. Аспект фильтра нижних частот просто отклоняет внеполосные высокочастотные компоненты сигнала. Поскольку в этом блоке фильтров используется фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ), он также может легко выполнять другие, более сложные операции, такие как согласованная фильтрация. Параметр прореживания изменяет частоту дискретизации выходного сигнала, чтобы лучше соответствовать уменьшенной полосе пропускания сигнала.Например, если аналоговый сигнал дискретизируется с частотой 40 МГц, а затем фильтруется до рабочей полосы частот 30 кГц, отфильтрованный выходной сигнал адекватно представлен частотой дискретизации 60 кГц. Децимирующий фильтр удаляет ненужные выборки, чтобы на последующих этапах обработки в системе была представлена более управляемая и значимая скорость передачи данных.

Затем отфильтрованные с низкой скоростью данные поступают в блок окончательной обработки, где им присваивается временная метка, связанная с абсолютной временной привязкой GPS.Эти данные с временными метками кратковременно сохраняются, а затем передаются в блоке сообщений в блок управления и обработки данных космического корабля (DHU). Эталон времени GPS принимается от DHU каждую секунду. Между обновлениями GPS требуется, чтобы местные часы обеспечивали отметку времени с точностью до ± 8 мкс.

Усиление предусилителя, характеристики гетеродина, характеристики фильтра и коэффициент децимации устанавливаются блоком управления каналом. Эти настройки загружаются и изменяются по команде с космического корабля DHU.Блок управления каналом также отслеживает внутренний статус RRI и результаты встроенного теста (BIT), передавая эту информацию в DHU в виде телеметрии.

Блоки «Store and Forward, Time Tag» и «Channel Control» реализованы в цифровом сигнальном процессоре (DSP) Analog Devices ADSP-2191M под управлением программного обеспечения. Это программное обеспечение загружается при запуске из блока Local Software Storage, EEPROM. Это программное обеспечение может быть изменено или обновлено с помощью космического корабля DHU. Следовательно, показан путь загрузки данных программного обеспечения.Кроме того, блок управления каналом может проверять целостность хранилища программного обеспечения и сообщать о целостности DHU в потоке телеметрии.

Наконец, внизу показаны две вспомогательные функции: блок «Локальные источники питания» и «Локальные цифровые системные часы». Блок источников питания преобразует и регулирует напряжения и обеспечивает ток, необходимый для электрических устройств RRI, от нерегулируемого источника питания 28 В постоянного тока космического корабля. Он также обеспечивает необходимую фильтрацию электромагнитных помех.Цифровые часы обеспечивают локальные тактовые сигналы (множественные, поскольку требуется более одной частоты и / или фазы), поступающие от стабильного кварцевого генератора, необходимого для синхронной цифровой электроники.

На рисунке 6 показаны устройства, выбранные для выполнения функций DRRM. Он состоит из двух плат, каждая из которых заключена в отсек большего корпуса: цепи цифрового радиоприемника (DRR) и цепи источника питания (PS). Изоляция плат обеспечивает электромагнитное экранирование от помех источника питания.DRR принимает аналоговые сигналы от каждого предусилителя по кабелям с витой экранированной парой. Первое, что выполняется — оцифровка сигналов с помощью двойных 12-разрядных аналого-цифровых преобразователей AD9238. Эти устройства обеспечивают множество преимуществ: встроенный входной дифференциальный усилитель для поддержки аналогового дифференциального режима работы, выходной мультиплексор для согласования с мультиплексированными цифровыми входами цифрового понижающего преобразователя (DDC) и очень низкое энергопотребление, примерно 700 мВт.

Фиг.6

Блок-схема модуля цифрового радиоприемника

Четырехканальный цифровой понижающий преобразователь AD6624 — это сердце цифрового приемника. Он направляет до четырех потоков входных данных в любой или все четыре внутренних канала обработки. Характеристики каждого канала программируются индивидуально. 32-битный генератор с числовым программным управлением микширует входные сигналы до основной полосы частот, создавая I и Q выходы. Затем они немедленно фильтруются нижними частотами и прореживаются с помощью фильтра каскадного интегратора-гребенки (CIC).За CIC следует фильтр с конечной импульсной характеристикой с коэффициентом ОЗУ (RCF) со 160 отводами, который также имеет возможность дальнейшего прореживания выходного сигнала для более эффективного согласования скорости передачи данных с новой уменьшенной полосой пропускания сигнала. Именно CIC в сочетании с RCF используются для реализации выходных полос частот 10 и 30 кГц, указанных для этого прибора. Расчет коэффициентов фильтра для достижения желаемого отклика DDC выполняется с помощью инструмента разработки фильтров SoftCell компании Analog Devices.Затем четыре выходных потока данных мультиплексируются вместе в один канал синхронных данных для передачи в процессор цифровых сигналов (DSP).

В качестве центрального процессора RRI используется DSP с фиксированной точкой ADSP2191M компании Analog Devices. Его основная функция — получить данные из DDC, упаковать их в соответствии с проводимым экспериментом, добавить отметку времени и затем передать полученные пакеты данных в блок обработки данных e-POP по синхронному дифференциальному каналу последовательной передачи данных RS422. Однако он также является основным процессором интерфейса команд и телеметрии RRI.Перед конкретным экспериментом он программирует характеристики DDC и ЦАП AD5327 с соответствующими настройками усиления предусилителя. Этот DSP был выбран как из-за его возможностей обработки данных, так и из-за большого разнообразия интерфейсных портов. Программное обеспечение DSP загружается при включении питания от Maxwell Technologies 28LV010, устойчивой к излучению EEPROM размером 128 кБ на 8 бит. В случае повреждения данных EEPROM DSP может быть загружен непосредственно из DHU, а EEPROM может быть перепрограммирован.

Наконец, все тактовые сигналы DRR синтезируются с помощью терморегулируемого кварцевого генератора Vectron International 566Y5329 с частотой 40 МГц.

Табличные сводки целей проектирования RRI

Таблица 1 представляет собой список основных целей проектирования параметров для операций RRI. Отчет о характеристиках в разд. 3 покажет, что эти цели в основном были достигнуты. В таблице 2 приведены требования к ресурсам RRI на CASSIOPE.

Таблица 1 Диапазоны параметров Таблица 2 Требования к ресурсам RRI

Коммерческие детали

Примечательным аспектом RRI как космического инструмента является то, что он полагается на готовые коммерческие детали (COTS), в отличие от традиционных, пригодных для использования в космосе, радиационно-стойких деталей для его электроники.Такой подход к проектированию был в основном мерой экономии средств и энергии. Следовательно, радиационные характеристики прибора трудно предсказать. Технологические параметры, определяющие радиационную стойкость, намеренно не контролируются при производстве деталей из COTS. В результате, стойкость к общей ионизирующей дозе (TID) технологий COTS часто сильно варьируется.

Из-за того, что эти части COTS работают в космической среде, радиационный анализ был выполнен путем моделирования орбиты космического корабля CASSIOPE.Этот анализ позволил нам определить подходящую степень защиты для инструмента. Результаты показаны на рис. 7. Исходя из данных о радиационных характеристиках субмикронных частей МОП, предполагается, что годовая доза должна быть ниже 2 крад. Отсюда был сделан вывод, что стены алюминиевого корпуса толщиной примерно 7 мм должны обеспечивать адекватное экранирование. Поскольку конструкция космического корабля способствует некоторой защите, было решено сделать кожухи толщиной 5 мм.

Рис.7

Прогнозирование дозы облучения / глубины

Параметры пользовательского командного режима

Параметры команды, используемые для полного определения рабочей конфигурации RRI, перечислены со ссылкой на три основные функциональные области, выделенные тремя разными цветами на рис.2. Как показано на фиг. 6, каналы с номерами с 1 по 4 подключаются к монополям с этими номерами. На том же рисунке для подключения дипольной антенны настройки A соответствуют настройкам канала 1, потому что это сигнал, который обрабатывается для сигнала 1–2 диполя и направляется на вход A DDC. Аналогично, настройки B соответствуют каналу 3. настройки, которые выводят 3–4 дипольный сигнал, направляемый на вход DDC B. В случае обработки монопольного сигнала выходные мультиплексоры AD9238 направляют все четыре монопольных сигнала на входы DDC A и B.Параметр Data Format выбирает, какие четыре потока из I1-Q4 должны быть записаны. Вот полный список параметров пользовательского командного режима RRI:

Дополнительную информацию о командах можно найти в Руководстве пользователя RRI (U. Calgary 2008a). Схема команд RRI сначала была предусмотрена для двенадцати режимов работы прибора, каждый с назначением всех параметров по умолчанию. При характеристике RRI было сочтено целесообразным упростить команды RRI с точки зрения параметров прибора, т.е.е., чтобы принять подход Custom Command. Это позволяет работе миссии e-POP предоставить практический опыт относительно того, какие режимы RRI следует инвентаризировать, вместе с их псевдонимами и назначениями параметров пользовательских команд.

Заключаем разд. 2 со ссылкой на фотографию на рис. 8 готового оборудования RRI. Слева — блоки развертывания антенны, интегрированные с блоком корпуса предусилителя. Они устанавливаются на внешней стороне космического корабля размером x , как показано на рис.1. Справа находится DRRM, который размещен внутри космического корабля.

Рис. 8

Фотография оборудования RRI. Внешняя часть слева состоит из монопольных разворачивающих устройств в цвете white и центральной коробки корпуса предусилителя. DRRM справа размещается во внутреннем пространстве космического корабля

Что такое внешний интерфейс RF (RFFE)?

В современных мобильных устройствах существует сложная схема, которая отвечает за преобразование информации из сигналов основной полосы частот с близкой к нулю частотой, используемых для передачи информации и данных, в радиосигналы, которые могут приниматься или передаваться по воздуху.

Внешний интерфейс RF (RFEE) должен обрабатывать нужные данные в нужное время с нужной информацией и отправлять их с нужным диапазоном на нужном уровне мощности. В современном смартфоне есть несколько антенн для передачи и приема сигналов.

Может быть 6 или более антенн (3G, 4G, 5G, WIFI, GPS…), в зависимости от технологии!

Для каждой антенны должен быть путь для передачи или приема, по которому будет передаваться сигнал от антенны к модели.

Эти пути называются контактными площадками радиочастотного сигнала или радиочастотными цепями. Поскольку к устройству добавляется больше антенн, вам потребуется больше радиочастотных цепей. Каждой РЧ-цепи требуется ряд компонентов, которые обрабатывают сигнал, и все эти компоненты, а также взаимодействие этих компонентов с антеннами и модемом необходимо понимать в деталях.

С нетерпением ждем появления 5G, в котором будет появляться все больше и больше антенн на устройстве, поэтому для RFFE важно развиваться!

Как RF Front End работает в традиционном радиоприемнике?

Давайте внимательнее рассмотрим переднюю часть RF схемы радиоприемника, чтобы увидеть, что он делает:

RF Front end — это общее название для всей схемы между антенным входом приемника и каскадом микшера.

Для большинства архитектур внешний интерфейс RF состоит из:

RF Фильтр (который на самом деле является полосовым фильтром) принимает электромагнитную волну от антенны. Его роль заключается в удалении частоты изображения и предотвращении насыщения входных каскадов сильными внеполосными сигналами.
ВЧ-усилитель , который используется для усиления слабых сигналов без добавления шума
Гетеродин , который генерирует стабильный радиочастотный сигнал, близкий к входному сигналу
Смеситель , который вырабатывает сигнал определенной полезной частоты путем «смешивания» сигнала волны E-M от антенны с сигналом местного генератора.

Примечание 1: Частота изображения — это нежелательная входная частота, равная частоте станции плюс или минус промежуточная частота

Примечание 2: Смеситель — это нелинейная электрическая цепь, которая создает новые частоты из двух подаваемых на нее сигналов. Эти два генерируемых сигнала представляют собой сумму и разность двух входных сигналов. Как правило, действительно нужен только один из этих результирующих сигналов, а другой просто не используется.

Как насчет RF Front Ends в сотовых телефонах?

В сотовых телефонах частота, создаваемая микшером (также называемая промежуточной частотой), оцифровывается, дискретизируется и преобразуется в двоичную цифровую форму, а остальная обработка выполняется цифровыми фильтрами, которые меньше, потребляют меньше энергии и могут иметь больше избирательность.

Каковы основные проблемы при разработке таких RF Front Ends для сотовых телефонов?

Каждой РЧ-цепи требуется ряд компонентов, обрабатывающих сигнал.

В сотовых телефонах и мобильных устройствах есть много проблем из-за количества антенн:

Различные сигналы, которые не должны мешать друг другу
Выбор или разработка подходящих компонентов для каждой части радиочастотных цепей

Дизайнерам необходимо подумать о том, как проектировать системы, которые выдержат архитектуру коммуникации будущего!

Можно ли использовать моделирование для решения таких инженерных задач?

Конечно! Фактически, симуляция — единственный надежный способ решить основные проблемы, который позволит нам генерировать сигналы на более высоких частотах в устройствах, которые могут попасть в наш карман! Если задуматься, то системная архитектура для фронт-эндов 5G RF будет чрезвычайно сложной, и потребует установки более 100 RF-фильтров в смартфон .Дизайнеру нужно будет подумать о стоимости, энергоэффективности, доступном пространстве и способности производить все это в больших количествах, чтобы удовлетворить быстрорастущий мировой спрос. Потребуются инновационные конструктивные решения радиочастотных фильтров, которые позволят упростить процесс проектирования и уменьшить размер фильтров при одновременном улучшении их характеристик.

В настоящее время OnScale — единственное программное обеспечение для моделирования, способное моделировать новейшие типы RF-фильтров в полном 3D (фильтры SAW, BAW-фильтры, SMR-резонаторы…) для прямого и надежного расчета рабочих параметров, таких как Q-фактор, необходимых для полного понимания поведение этих сложных систем.

OnScale также использует возможности облака для одновременного запуска тысяч симуляций и расчета полного проектного решения для этих ВЧ-устройств нового поколения. С помощью OnScale дизайнеры и инженеры смогли оптимизировать радиочастотные фильтры, используя генетический алгоритм или обучая алгоритмы машинного обучения искусственного интеллекта.